En el 238 a.C., se llevó a cabo el paso repentino de Cerdeña bajo el control romano, consecuencia indirecta de la derrota cartaginesa en la primera Guerra Púnica. Por ello, la "Krly" púnica se convirtió en Karales en la época romana. Originalmente, el nombre de la ciudad tenía la forma singular "Karalis", como testimonio de la existencia de un "vicus Karalis" creado inmediatamente después de la conquista de Cerdeña cerca de la ciudad púnica preexistente. La transición del singular al plural "Karales", durante el siglo II d.C., daría fe de la exitosa fusión de los dos centros en una unidad urbana. En las fuentes epigráficas no se menciona ninguna iniciativa de construcción que pueda haber modificado el plan urbanístico de la ciudad durante la fase republicana. El momento decisivo para la historia de construcción de Karales estuvo marcado por la atribución por parte de Octavio del estatuto de "municipium Julium civium Romanorum" (alrededor del 38 a.C.) y el consiguiente registro de los ciudadanos caralitanos en Quirina, una de las tribus de Roma. El gobierno de la ciudad pasó a manos de un consejo de "quattuorviri". Dos de ellos eran responsables de la administración de la justicia ("IIIIviri jure dicundo") y tenían el cargo de "quinquennales", es decir, encargados del censo que se llevaba a cabo cada cuatro años. y dos se encargaban de gestionar la annona y las obras públicas ("IIIIviri aedilicia potestate"). En la época romana, como en la anterior época púnica, siguió marcada la vocación comercial de la ciudad y, en consecuencia, la importancia crucial del puerto para la vida económica del centro urbano. Durante la fase imperial, la ciudad experimentó un importante desarrollo urbano. Y en este período se realizó la construcción de edificios públicos y viviendas particulares en diversas áreas. La acrópolis de la ciudad debió ubicarse entre el actual castillo y la parte alta de lo que hoy sería el distrito de Stampace, a los pies del castillo. El actual distrito de S. Avendrace debió constituir la zona de residencia de las clases altas, como lo demuestra la evidencia arqueológica de la llamada "villa di Tigellio". Por su parte, las familias de clases menos pudientes debieron vivir entre el actual Corso Vittorio Emanuele y el puerto. También se construyeron otras casas señoriales en las laderas de la colina de Bonaria. En lo que hoy es la plaza del Carmine, se encontraba el foro. Asimismo, se ha identificado un edificio termal que data del siglo II d.C. en el Largo Carlo Felice y otros restos de imponentes temas en la Viale Trieste. En la Via Malta, donde ahora se encuentra la oficina postal llamada el "Palazzo delle Poste", se muestra un importante "templo-teatro" de la época republicana tardía. Las necrópolis se encontraron en diferentes áreas: Sant'Avendrace, Bonaria. Viale Regina Margherita (aquí fueron enterrados los "classiarii" de la unidad de la flota del Miseno que durante mucho tiempo tuvo como base el puerto de Cagliari). En el Viale Fra Ignazio es aún visible el anfiteatro que data del siglo II d.C. Un acueducto llevaba agua desde Siliqua hasta la ciudad, pasando por Décima, Assemini y Elmas, a través del actual distrito de Stampace. La ciudad romana debió caracterizarse por la presencia de varios muelles que rodeaban la zona ocupada por el puerto actual.
Historia de la excavaciones Cagliari ha sido objeto de trabajos de excavación en varias ocasiones, ya desde el siglo XVI. Sin embargo, las investigaciones se hicieron de modo más científicamente riguroso y sistemático en el siglo XIX, gracias a la intensa investigación llevada a cabo por el canónigo Giovanni Spano (1803-1882). También fueron importantes las posteriores investigaciones realizadas por el arqueólogo Antonio Taramelli (1868-1939). Durante el siglo XX, las excavaciones, llevadas a cabo por la Superintendencia de Patrimonio Arqueológico de las provincias de Cagliari y Oristano, se han multiplicado, especialmente en relación con el desarrollo urbano que ha experimentado la ciudad.
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