В 45 году до н. э. сразу же по окончании войн в Понте и в Африке Цезарь вызвал в Рим Клеопатру формально — для заключения союза между Римом и Египтом. Клеопатра привезла сына в Рим. Римские правители даровали Птолемею-Цезариону титул царя египетского. Цезарь был убит в результате заговора 15 марта 44 года до н. э. Царица Египта как громом была поражена убийством любовника. Месяц спустя, в середине апреля, Клеопатра покинула Рим и в июле прибыла в Александрию.

Клеопатре было 28 лет, когда она в 41 году до н. э. познакомилась в Риме с 40-летним римским полководцем Марком Антонием, легкомысленным сластолюбцем, но храбрым воином. Когда Клеопатра уезжала из Рима, она, быть может сама того не желая, зажгла искру в сердце Марка Антония.

При разделе римского мира Антонию достался Восток. Антоний решил реализовать проект Цезаря — большой поход против парфян. Он послал офицера в Александрию требовать Клеопатру к себе в Киликию. Он собирался обвинить ее в помощи убийцам Цезаря, видимо, надеясь под этим предлогом получить с нее как можно больше денег для похода.

Антоний пока не был влюблен в египтянку, но ее очарование произвело на него неизгладимое впечатление. Он мечтал заставить египетскую царицу унижаться и молить Рим о помощи. Клеопатра прибыла к нему на судне с вызолоченной кормой, пурпурными парусами и посеребренными веслами; сама она восседала в наряде Афродиты, по обе стороны от нее стояли с опахалами мальчики в виде эротов, а управляли кораблем служанки в одеяниях нимф. Затем она пригласила Антония к себе для роскошного пиршества. В назначенный час Антоний прибыл во дворец, украшенный с необыкновенной роскошью. Пир был великолепным. Римский сластолюбец и лакомка, когда-то подаривший дом своему повару за хорошо приготовленное блюдо, готов был подарить повару Клеопатры целый город; а ей самой — весь мир. Теперь он сам ползал у ее ног.

Так начался роман, длившийся десять лет, один из самых знаменитых в истории. Антоний, оставив армию, последовал за Клеопатрой в Александрию, где провел зиму 41–40 годов до н. э., предаваясь попойкам и развлечениям. Со своей стороны Клеопатра старалась привязать его как можно крепче. Плутарх рассказывает: «Вместе с ним она играла в кости, вместе пила, вместе охотилась, была в числе зрителей, когда он упражнялся с оружием, а по ночам, когда он, в платье раба, бродил и слонялся по городу, останавливаясь у дверей и окон домов и осыпая обычными своим шутками хозяев — людей простого звания, Клеопатра и тут была рядом с Антонием, одетая ему под стать». Пока они развлекались подобным образом, парфянский царевич Пакор перешел в наступление, в результате которого Рим потерял много территорий.

Марк Антоний провел короткое контрнаступление из Тира, но затем был вынужден вернуться в Рим. Там была его жена Фульвия, которая надеялась все еще оторвать Антония от Клеопатры. Но Фульвия умерла, а Антония заставили сочетаться браком с сестрой Октавиана, Октавией.

В то же самое время в 40 году до н. э. Клеопатра в Александрии родила от Антония близнецов: мальчика Александра Гелиоса («Солнце») и девочку Клеопатру Селену («Луну»). Три долгих года Клеопатра жила в разлуке с Антонием. В 36 году до н. э. Антоний из Рима отправился на войну с Сирией, и, вступив на азиатский берег, сразу же вспомнил «нильскую сирену». Любовь вспыхнула вновь, он послал за Клеопатрой, и вскоре любовники наслаждались в объятиях друг друга. В Александрии Клеопатра в сентябре 36 года до н. э. родила третьего ребенка от Антония, Птолемея Филадельфа. В Риме начинают рассматривать союз Антония и Клеопатры как угрозу империи и лично Октавиану.

Октавиан в начале весны 35 года до н. э. послал свою сестру Октавию с тем, чтобы она присоединилась к мужу. Однако едва она доехала до Афин, Антоний приказал ей немедленно возвращаться обратно. Это произошло по воле Клеопатры, которая грозила Антонию самоубийством в случае, если тот примет жену.