Bereits in römischer Zeit hat die Trierer Brücke über die Mosel insgesamt drei Bauphasen zu verzeichnen. Zeitgleich mit der Gründung der Stadt im Jahre 16 vor Christus entstand in der Nähe einer befestigten Furt eine erste Brücke. Dieser Pfahljochbau fußte auf riesigen Holzböcken, die quer zur Flussrichtung mit Langhölzern verbunden waren. Darüber lagen Planken als Fahrbahndecke. Wenige Holzpfähle davon blieben erhalten, anhand derer eine genaue Datierung vorgenommen werden konnte.

Flussabwärts entstand 71 nach Christus unter Kaiser Vespasian die Folgebrücke, deren mächtige Pfahlstellungen noch heute bei niedrigem Wasserstand erkennbar sind. Der fundamentartige Unterbau bestand hier aus Holz und Steinen, wobei Holzrahmen und Roste als Stützwerk für das zur Auffüllung verwendete Material dienten. Auf den 13 Holzrosten waren wahrscheinlich Rotsandsteinquader als Brückenpfeiler aufgeschichtet. Darüber befand sich eine hölzerne Fahrbahnkonstruktion.

Die dritte, heute noch genutzte Brücke, entstand 8 m flussaufwärts in der Zeit von 144 bis 157 nach Christus. Anlass für die Erbauung war der zunehmende Verkehr, der über die schmale Pfahlrostbrücke nicht mehr abgewickelt werden konnte.

Zum Bau dieser Brücke errichteten die Römer zunächst kastenförmige, doppelwandige Spundwände aus Holz und dichteten diese mit einer starken Tonfüllung ab. Zwischen den Spundwänden wurde das Wasser abgepumpt, um eine wasserfreie Arbeitsfläche zu erhalten. Im ausgeschachteten Flussbett wurden mächtige Steinquader auf dem Felsuntergrund zu einem Fundament aufgeschichtet und so die Brückenpfeiler direkt im Flussbett gegründet.

Die Pfeiler haben einen Gussmauerkern, der mit 35 - 95 Zentimeter hohen und bis zu 3 Meter langen Basaltlava-Quadern verblendet ist. Die Steine sind mit Eisenklammern im Bleiverguss verbunden. Die Brücke hat stromaufwärts zugespitze Pfeiler, um Hochwasser und Eis besser trotzen zu können. Zu Beginn trugen Konsolsteine eine zehn Meter breite hölzerne Fahrbahnkonstruktion.
Da die Fahrbahn bei Normalpegel etwa 14 Meter über der Mosel lag, mussten die Masten der Schiffe nicht mehr umgeklappt werden, wenn sie flussabwärts segelten. Flussaufwärts war wegen der starken Strömung Treideln notwendig.

Auf den Moselübergang hin orientierte sich in der Folgezeit das gesamte Straßenraster der römischen Stadt: Die Ost-West-Achse fand in der Brücke, durch einen Straßenknick leicht nach Norden versetzt, ihre Fortsetzung auf das westliche Moselufer. Die „Porta Inclyta“ (Berühmtes Tor) stellte vermutlich das Ende dieser Achse dar. Allerdings streiten sich die Wissenschaftler derzeit, ob das der Porta Nigra ähnliche Tor tatsächlich auf der linken oder der rechten Moselseite stand.

Die römischen Pfeiler der Moselbrücke haben bis heute alle späteren Brücken an dieser Stelle getragen. Über 1000 Jahre diente die Römerbrücke bis ins hohe Mittelalter als einziger fester Flussübergang der Mosel zwischen Metz und Koblenz.
Während die römischen Brücken stets Holzkonstruktionen darstellten, stammt die erste Steinbrücke aus der Zeit zwischen 1190 und 1490. Vermutlich unter Kurfürst und Erzbischof Balduin von Luxemburg (1307–1354) entstanden am Kopf der Brückenpfeiler erste steinerne Bögen.

Wie in römischer Zeit sicherten auch im Mittelalter Brückentore auf beiden Seiten die Brücke. Die Porta Inclyta – ganz gleich auf welcher Moselseite sie stand – war abgerissen worden. In der Rekonstruktionszeichnung sind die Brückentore auf dem zweiten und siebten Flusspfeiler zu sehen. Der Zugang zur Stadt war in die Stadtbefestigung integriert. Die Brückentore dienten neben der Sicherung und der Kontrolle der Zureisenden hauptsächlich der Zollerhebung.

Eine Zeichnung von 1670 zeigt auf dem dritten und fünften Pfeiler je zwei Säulen. Sie ähneln denen in römischer Zeit und befinden sich auch an der gleichen Stelle. Vermutlich dienten sie im Mittelalter wie in der Römerzeit der Signalgebung für die Schifffahrt. Bei einem Häuschen auf dem vierten Pfeiler in der Zeichnung könnte es sich um eine Kapelle des heiligen Nikolaus, dem Patron der Schiffer, handeln.

Französische Truppen sprengten 1689 die mittelalterliche Steinwölbung der Römerbrücke. Kurfürst Franz Ludwig (1716-1729) ließ sie um 1718 wieder herstellen und darüber hinaus zwei der ursprünglich neun Brückenpfeiler aus dunklen Basaltblöcken erneuern.

Insgesamt fünf der Original-Pfeiler aus der Mitte des 2. Jahrhunderts nach Christus haben bis jetzt knapp zwei Jahrtausende im Flussbett überdauert. Die beiden ersten sind heute auf der Stadtseite in der Uferaufschüttung verborgen.

Wenn auch die Mehrzahl der Pfeiler unberührt blieb, so sind doch seither in der Straßenkonstruktion einige Veränderungen erfolgt: Die Brückentore und Türme wurden 1864 abgetragen, Geländer und Bürgersteige immer wieder verändert. In das Jahr 1931 fällt z.B. eine Verbreiterung der Fahrbahn und der Bürgersteige.
Als einzige größere Verkehrsbrücke im Rheinland war die Römerbrücke einer Zerstörung im Zweiten Weltkrieg entgangen. Aus ungeklärten Gründen wurde sie von den deutschen Truppen nicht gesprengt. Am Morgen des 2. März 1945 konnten daher die Amerikaner über die unzerstörte Römerbrücke in Richtung Trier-West gelangen.

Seit 1964 passiert der Schiffsverkehr auf der Großschifffahrtsstraße Mosel die Brückenbögen. Beim Ausbau der Mosel zur Wasserstraße in den Jahren 1959-63 wurden die Pfahlgründungen der älteren Brückenanlage wegen einer möglichen Gefährdung der Schifffahrt zum größten Teil zerstört, indem die Pfähle gezogen wurden.
Innerhalb der Fahrrinne wurden die Pfeiler zwei, drei und vier von Westen bis zu den Fundamenten freigelegt, mit Beton unterfüllt und ummantelt. Auch wenn dabei die römischen Holzrahmen und Pfahlverstärkungen zerstört worden sind, sind dennoch der Erkenntnisgewinn zur Geschichte der Flusspassage und die Menge an Kleinfunden, Architekturteilen, Münzen und sonstigen Zeugnissen sehr bedeutsam.