In den Jahren zwischen 367 und 370 n. Chr. ließ Kaiser Valentinian I. (364-375) im südwestlichen Bereich des zerstörten alten vicus das Kastell „Alteium“ errichten. Kaiser Valentinian I. ist selbst zweimal in Alzey gewesen (370 und 373). Das Kastell hat Außenmaße von 163,5 x 159 Meter. Die Mauern waren bis zu 3,50 Meter dick und 12 Meter hoch. 14 halbrunde Türme wurden an besonderen Stellen der Mauer als Verstärkung in den Mauerring eingebaut. Zwei Tore, eins im Osten, das andere im Westen, gestatteten den Zugang. Im Schutz der Mauern befanden sich langgestreckte, in einzelne Kammern unterteilte Anbauten. Die Fundamente der Kammerbauten an der Westmauer sind heute noch zu erkennen. Auch die mehrstöckigen Kasernengebäude wurden entlang der Mauer errichtet. Im unbebauten Innenhof konnten sich größere Truppenkontingente aufhalten, die Kommandantur befand sich in der Nordostecke der Anlage. Vor den Mauern des Kastells zog sich in ca. 12 Meter Entfernung ein 7-8 m breiter Spitzgraben um den Gesamtkomplex.

Das Kastell Alteium hielt sich nur wenige Jahrzehnte. Um 400 wurden die Legionäre vom Rhein abgezogen, als Kaiser Honorius die Residenz von Trier nach Arles verlegte. Nachdem Vandalen und Alanen den Rhein überquert hatten, brach die römische Rheinverteidigung im Jahr 406 zusammen. Daraufhin wurde das Kastell 406/407 zerstört.

Ab 406/407 waren im Kastell erneut Truppen stationiert, nun jedoch ostgermanische Föderaten der Römer. Neueste Forschungen und Grabungen deuten an, dass es vielleicht die Burgunder waren, die als Verbündete Roms die zweite Mannschaft im Kastell Alzey bildeten. Diese zweite Kastellperiode unterscheidet sich baulich deutlich von der ersten. Die Burgunder bauten in unregelmäßiger Anordnung Fachwerkhäsuer auf den bis dahin unbebauten Innenhof. Die Häuser waren mit Stroh oder Holzschindeln gedeckt. Die alte Kommandantur wurde zu einem dreischiffigen, basilikaähnlichen Gebäude umgebaut; der V-förmige Spitzgraben wurde in einen 8 Meter breiten Sohlgraben umgearbeitet.
Um 436/437 besiegte der römische Felderherr Aetius den Burgunderkönig Gundicharius oder Gundahar (Gunther) mit Hilfe hunnischer Hilfstruppenregimenter.
Die Reste des Stammes wurden wenige Jahre später durch Aetius vom Rhein an den Genfer See, in die Sapaudia (dem heutigen Savoyen), umgesiedelt. In die Zeit dieser Umsiedelung fiel auch das Ende der 2. Phase des Alzeyer Kastells. Es wurde entfestigt, die Fachwerkhäuser wurden abgebrannt.

Mitte des 5. Jahrhunderts bezogen noch einmal für kurze Zeit Truppen das Alzeyer Kastell. Wahrscheinlich waren es Alemannen. Im Innenraum des Kastells errichtete man neue Fachwerkbauten, die mit Ziegeln gedeckt waren. In die Ruinen der alten Steinkaserne wurde eine ziegelgedeckte Fabrica eingebaut, in welcher Altglas und Altmetall eingeschmolzen und wiederverwendet wurden. Innerhalb der Kastellkommandantur wurde eine einfache Saalkirche errichtet, die die Grundlage für die bis um 1800 bestehende St. Georgskirche darstellte. Bis ins 15. Jahrhundert war sie die Pfarrkirche von Alzey. Nach dem Ende der Römerherrschaft am Rhein Mitte des 5. Jahrhunderts blieb nur noch die Wehrmauer des alten Kastells stehen. Teile davon standen noch im Jahre 1620 aufrecht. Die Ruine des Kastells muss für die Silhouette der Stadt im 17. Jahrhundert noch von derartiger Bedeutung gewesen sein, dass sie Kupferstecher um 1620 auf Vignetten darstellten.

Überreste des Kastells sind heute noch vorhanden und werden seit Anfang des 20. Jahrhunderts weiter ausgegraben. [Anm. 1]