Tivoli visse un periodo di decadenza nell'alto Medioevo ma con Federico Barbarossa tornò ai precedenti splendori con la costruzione di nuove mura cittadine e numerose case torri. Nello stesso periodo furono costruiti la Chiesa di S. Michele, la Torre del Comune e il palazzo dell'Arengo, nucleo della vita civile e religiosa della città.

Nel 1461 risale la costruzione della Rocca Pia, voluta da Papa Pio II a testimonianza del potere pontificio. Nel 1550 il Cardinale Ippolito d'Este, governatore di Tivoli, realizzo la bellissima villa su progetto di Pirro Ligorio. Nel 1600 furono edificate le due più importanti chiese della città: la Cattedrale di San Lorenzo e la Chiesa del Gesù, oggi scomparsa in seguito del bombardamento del 1944.

In seguito ai gravi danni causati dalla piena dell'Aniene del 1826 furono necessarie imponenti opere di deviazione del fiume con la costruzione di due gallerie sotto il monte Catillo che diedero vita all'imponente cascata di oltre 100 metri. Nello stesso periodo fu realizzato il ponte Gregoriano che prende il nome del pontefice che fece realizzare i lavori di deviazione del fiume.