Zmiany przeprowadzone przez Serwiusza Tuliusza, szóstego króla Rzymu przetrwały bez większych zmian do IV wieku p.n.e., a konkretniej do końca wojny z miastem-państwem Weje, toczonej w latach 406 – 396 p.n.e. Długoletnia, wyczerpująca choć zwycięska wojna udowodniła, że armia rzymska w tej strukturze nie jest zdolna do prowadzenia dłuższych kampanii wojennych. Modernizacji poddano uzbrojenie. Wprowadzono podłużną tarczę (scutum) zamiast okrągłej (clipeus). Do włóczni (hasta) dodano pilum. Z kolei zamiast hełmów z brązu zastosowano hełmy z żelaza. Warto także zauważyć, że żołnierzom narzucono żelazną dyscyplinę oraz wymagano całkowitego oddania republice.
Wprowadzona została powszechna służba wojskowa, tycząca się mężczyzn zdolnych utrzymać broń oraz dysponujących majątkiem ziemskim w przedziale wiekowym od 17 do 46 lat. W razie ogólnego zagrożenia górna granice podnoszono do 50 lat lub nawet więcej. Służba wojskowa miała charakter obywatelski, a jednocześnie patriotyczny. Każdy ze zdrowych mężczyzn musiał wziąć udział w przynajmniej 20 wyprawach pieszych lub 10 konnych.
Wojsko rzymskie z początkiem II wieku p.n.e. sięgało 650.000 żołnierzy, jeśli uwzględnimy kontyngenty Związku Latyńskiego oraz innych sojuszników. Jednak w czasie kampanii wojennych wykorzystywano zaledwie cząstkę pełnej armii, tzw. armię konsularną liczącą 40.000 ludzi. Reszta stanowiła można powiedzieć „nieograniczoną” rezerwę, tym bardziej jeśli się zauważy, że w tamtych czasach nie było silniejszych wojsk. Jednak to nie liczebność dawała Rzymianom przewagę na polu bitwy. Wojska rzymskie nad przeciwnikiem górowały przede wszystkim uzbrojeniem i taktyką. Armia rzymska w okresie monarchii ograniczona była do greckiej falangi i nie zwracano uwagi na nowsze techniki walki. Dopiero w Republice zaczęto się kierować zasadą: „Należy się uczyć i od wroga” (licet et ab hoste doceri). Postanowiono zreformować wojsko rzymskie. Zwrócono uwagę przede wszystkim na sztywność falangi. W efekcie wprowadzono tzw. taktykę manipularną, przejętą od Samnitów, za sprawą Marka Kamillusa (przełom V i IV wieku p.n.e.). Cały legion podzielono na 30 manipułów (manipulus), z nich utworzono linię bojową złożoną z trzech szyków: hastati, principes, triarii. Między poszczególnymi manipułami w każdym szyku pozostawiono przerwy, które kryły manipuły następnego rzędu. Całą strukturę armii na polu bitwy nazwano szykiem potrójnym (acies triplex). Przed każdym szykiem ciężkozbrojnych znajdowali się welici (velites), czyli lekkozbrojna piechota (oszczepnicy, łucznicy). Na flankach znajdowała się jazda, zgrupowana w 10 szwadronach (turmae), chroniąca główną armię przed okrążeniem.
Taktyka walki z wrogiem była bardzo dobrze przemyślana. Dwa pierwsze szyki, czyli hastati i principes miotały oszczepami, tzw. pilum we wrogie jednostki. Do walki w zwarciu wykorzystywano miecz, chroniąc jednocześnie ciało tarczą. Jeżeli dwa pierwsze szeregi nie były w stanie pokonać wroga, bądź istniało zagrożenie załamania formacji do walki wkraczał ostatni szyk, triarii. Sytuację taką opisywano: „Doszło do użycia triarów” (res ad triaros redit).
Wojna z Hannibalem poprzedziła szereg zmian w taktyce działań wojsk rzymskich, które do tego czasu, mimo wszystko, stosowały raczej technikę grecką zwaną falangą macedońską. Porażki pod Jeziorem Trazymeńskim w 217 roku p.n.e. i pod Kannami w 216 roku p.n.e. wybitnie ukazały mało elastyczność manipułów. Operowano zwartymi szykami manipularnymi, w związku z czym armia była bardzo sztywna. Taktykę tą zarzucił Publiusz Korneliusz Scypion Starszy z przydomkiem Africanus. Brał on udział w bitwie pod Kannami jako trybun wojskowy. Na własne oczy oglądał klęskę, i być może właśnie to doświadczenie doprowadziło go do wyciągnięcia wniosków, że trzeba zmienić taktykę prowadzenia działań wojennych. Rzymianie co prawda dalej korzystali z doświadczeń greckich. Wciąż uważali, że wojna to nie jedna bitwa, dzięki której można wygrać wojnę, a raczej działania długofalowe. Jednocześnie jednak też szybko się uczyli i robili to wprowadzając własne pomysły na prowadzenie wojny. Scipio pokazał to założenie w całej rozciągłości po raz pierwszy w bitwie pod Bekulą (Beacula) w 208 roku p.n.e. Wówczas mierząc się z Hazdrubalem, bratem Hannibala, zamiast zwartych szeregów manipularnych, zastosował technikę operowania luźnymi oddziałami – kohortami, które liczyły po 3 manipuły. Oznaczało to zwiększenie roli wodza w bitwie, który mógł się wykazać większą inicjatywą. W wyniku czego dowódca musiał dostosować plan bitwy w zależności od terenu i okoliczności. Dzięki nowej technice legiony stały się bardziej mobilne i w działaniach wojennych zdecydowanie bardziej efektywne. Wcześniej wódz wydawał rozkaz do rozpoczęcia bitwy, która toczyła się według utartych schematów, a wódz bardzo często tracił kontrolę nad przebiegiem bitwy. Ukoronowaniem tej nowej techniki prowadzenia działań wojennych była bitwa pod Zamą w 202 roku p.n.e., gdzie Scypion odniósł wspaniałe zwycięstwo, pokonując samego Hannibala. Była to prawdziwa rewolucja w wojskowości rzymskiej, która w późniejszych latach przyniosła Rzymianom wiele sukcesów militarnych.
Ponadto w trakcie wojen punickich rozwinięto flotę rzymską: zwiększono jej liczebności, opracowano taktykę walki na morzu. Pozwoliło to w przyszłości Rzymowi zdobyć miano hegemona na morzu.
Ogromne znaczenie dla armii rzymskiej, a zwłaszcza republiki miała reforma wojskowa Gajusza Mariusza w latach 107-102 rok p.n.e.
Rzymianie po zakończeniu podboju Italii byli w stanie zmobilizować 700 tys. żołnierzy (Rzymian i sprzymierzeńców). Była to siła która decydowała o nawet najbardziej krwawych wojnach. Ani Kartagina, ani Macedonia nie była w stanie wystawić nawet w przybliżeniu tak licznej armii. Przeciwników Rzymian zawsze zadziwiała zdolność Rzymian do wystawienia nowej armii. Te możliwości były decydujące w zwycięskich wojnach z Samnitami i Pyrrusem. Nawet klęski w wojnie z Hannibalem na początku konfliktu, nie wyczerpały rezerw armii rzymskiej, gdy Hannibal miał ograniczone możliwości uzupełniania braków w armii.