Den sidste konge af Bithynien,Nikomedes 4., testamenterede i74 f.Kr. sit rige til romerne, og det blev en romersk provins. Det nævnes iBibelen i forbindelse medApostlen Paulus' anden rejse. Det var et område, hvorkristendommen tidligt vandt indpas, selv om det ikke nævnes i Bibelen som et sted, hvorapostlene missionerede. Dog omtalt i bl.a. Peters Første Brev i biblen. AfTrajans brevveksling med statholderen dér,Plinius den Yngre, fremgår det, at kristendommen dér havde spredt sig ”ikke bare til byerne, men også til landsbyerne og bondelandet”.
Bithynerne var ifølge de antikke historikere en indvandret thrakisk stamme. En stamme, der blev kaldt thyni, kendes fra Thrakien, og en gren af den kunne have bosat sig iAsia på den anden siden af Bosporus.[kilde mangler] Bithynerne overtog ifølgeHerodot området fra en række andre lokale stammer. KongKrøsus indlemmede Bithynien i kongerigetLydien; da det faldt tilperserne i546 f.Kr., fulgte Bithynien med og blev en del af denfrygiskesatrapi.
Allerede førAlexander den Stores invasion af Perserriget kan Bithynien have opnået en form for selvstændighed, en status landet beholdt under fyrsterneBas af Bithynien og sønnenZipoites. Han tog titel af konge (basileus) i297 f.Kr.. Hans søn og efterfølgerNikomedes 1. grundlagde en ny hovedstad,Nikomedia, der hurtigt udviklede sig til en rig og betydningsfuld by. Bithynien var et af de mest betydningsfulde kongeriger iAnatolien, men naboriget Pontos blev efterhånden til en så stor en trussel mod dets eksistens, atNikomedes 4. i 74 f.v.t. valgte at overlade sit rige til regionens nye stormagt, Romerriget.
Grænserne for den romerske provins Bithynia blev jævnligt ændret, og provinsen blev af administrative hensyn ofte forenet med provinsen Pontus. Det var tilfældet under Trajans regeringstid, da Plinius den Yngre blev udpeget som statholder over begge provinser (103-105). En brevveksling mellem Plinius og kejseren giver et sjældent og uvurderligt indblik i administrationen af de romerske provinser. I denbyzantinske periode blev provinsen igen delt i to, og området vest forSangariusfloden beholdt navnet Bithynia.
I1074–1097 var Bitynien besat af de tyrkiske seldjukker, men de blev besejret af en vesteuropæisk hær under 1. korstog, og landet kom atter under det byzantinske kejserrige. DaKonstantinopel i1204 blev erobret af nye korsfarere og blev hovedstad i det latinske kejserrige, blev Nikæa hovedstad for det territorium, den græske kejser beholdt kontrollen over. I1298 blev Bithynien erobret afosmannerne, og i1326 blev byenBursa hovedstad iOsmannerriget indtil erobringen af Konstantinopel i1453.
Provinsens havde stor strategisk betydning for Romerriget, da de veje, der løb igennem, forbandt de to vigtige grænser vedDonau mod nord ogEufrat mod sydøst. Nikomedia blev derfor ofte brugt som vinterkvarter for tropper. De vigtigste byer var Nikomedia ogNikæa, der skiftedes til at være hovedstad. De blev grundlagt efter Alexanders tid, og før græske kolonister grundlagde byerne Cius (nuGemlik),Chalcedon (nuKadıköy) ogHeraclea Pontica (nuKaradeniz Ereğli) vedEuxinus, der alle blev til blomstrende handelspladser. De vigtigste byer i moderne tid erİzmit,Bursa ogÜsküdar.
Fotografi af et 1400-tals kort der viser Bithynien.
Strabon beskrev Bithynien som afgrænset mod øst af Sangarius (nuSakaryafloden), men andre kilder placerer grænsen længere mod øst ved Parthenius. Mod vest og sydvest grænsede Bithynien tilMysien ved floden Rhyndacus og mod syd mod Frygien,Epictetus ogGalatia.
Regionen er meget bjergrig og var i antikken dækket af mange skove, mens dalene og kystegnene havde stor frugtbarhed. Det højeste bjerg er det ”mysiske” Olympus, der rejser sig 2300 m over havet nær Bursa. Bjergene er en central del af den anatoliske højslette. De vigtigste floder er Sakarya, der krydser provinsen fra nord til syd, Rhundacus, der deler den fra Møsien, ogBillaeus (nu Filiyas), der løber sammen med Euxinus. Dalene, der går mod Sortehavskysten, bruges mest til frugtavl, mens sletterne ved Bursa og Iznik (Nikæa) og Sangariusdalen er frugtbar landbrugsjord. Storemorbærplantager omkring Bursa bruges i egnenssilkeproduktion.