Thessaloniki ist wieder Teil des Byzantinischen Reichs. In dieser Zeit und als Nachwirkung des Königreich Thessaloniki erhalten die Venezianer immer mehr Macht in der Stadt.
Es ist eine Epoche der erneuten kulturellen Blüte der Stadt. In der Zeit nach 1246 entstehen wichtige Kirchen und Thessaloniki ist ein Zentrum der Wissenschaft und Religion.
Der Frieden wird nur kurzzeitig im Jahr 1308 gestört, als die Katalanische Kompanie im Zuge der "Katalanischen Rache" die byzantinischen Landesteile Makedonien und Thrazien plünderten. Thessaloniki ist von den Katalanen nicht erobert worden, der Angriff konnte zurückgeschlagen werden.
Im Jahr 1342 errichten Zeloten eine Stadtrepublik Thessaloniki. Die Zeloten, die keinen Bezug zu den antiken jüdischen Zeloten haben, obwohl ein großer Anteil der byzantinischen Zeloten Juden sind, sind ihrer Zeit weit voraus. Die Zeloten-Bewegung in Thessaloniki ist die erste Demokratiebewegung nach der Antike. Die Republik Thessaloniki ist somit der erste demokratische Staat und ein Vorläufer des heutigen Staatssystemes. Die Stadtrepublik Thessaloniki existiert bis zu ihrer Zerschlagung durch Konstantinopel im Jahr 1349.
Zwischen dem 17. Mai 1347 und seinem Tod am 14. November 1359 ist Grigorios Palamas Erzbischof von Thessaloniki. Grigorios Palamas ist einer der wichtigsten Theologen in der Orthodoxen Kirche.
1387 wird Thessaloniki zum ersten Mal von den Osmanen erobert. Dieser erste Besitz der Stadt endet 1403, als der byzantinische Herrscher Manuel II. Thessaloniki gegen seine Unterstützung im osmanischen Erbfolgekrieg zugunsten von Bagiazit und gegen Tamerlano tauscht.
Da die osmanische Bedrohung für das byzantinische Reich immer gewaltiger wird und die Herrscher von Byzanz unfähig sind Thessaloniki gegen die Osmanen zu verteidigen, wird Thessaloniki 1420 an Venedig übergeben.
Für Thessaloniki ist dieser Schritt ein Rückschritt. Aus dem Zweitregierungssitz des byzantinischen Reiches, ist eine Provinzstadt Venedigs geworden. Eine Seeblockade durch die Osmanen lässt Thessaloniki langsam verarmen. Der Führungsstil der Venezianer über Thessaloniki tut sein Übriges, um die Bevölkerung von Thessaloniki zu demotivieren.
Nach drei Tagen Kampf fällt Thessaloniki am 29. Mai 1430 endgültig an das Osmanische Reich. Auf den Tag, genau am 29. Mai 1453, 23 Jahre später wird Konstantinopel von den Osmanen erobert und der letzte Rest des römischen bzw. byzantinischen Reiches geht zugrunde.