Il successivo capitolo della storia del luogo appartiene al periodo Persiano, e si suppone che durante questi tempi i  Nabatei emigrarono a Edom costringendo gli  Edomiti a spostarsi a sud della Palestina. Ma si sa poco riguardo a Petra fino a circa il 312 a.C., momento in cui i Nabatei, una delle tante tribù arabe, la occuparono e convertirono nella capitale del loro regno.

In questo periodo, durante la dominazione ellenica dei Salaicidi, e più tardi i Tolomei, tutta la zona fiorì con l’aumento del commercio ed il sorgere di nuove città come Filadelfia (Rabbath Amon, la moderna Amman) e Gerasa (la moderna Jerash). Le lotte fra Selauciti e Tolemaici permisero ai Nabatei di controllare le rotte di carovane fra Arabia e Siria.

Il tempio dei leoni alati. Con il dominio Nabateo Petra si convertì in un centro di commercio di spezie che si estendeva dall’Arabia fino ad Aqaba e alla stessa Petra, e successivamente fino a Gaza a nord-ovest, a al nord attraverso Amman e Bostra, Damasco ed infine a Palmira e nel deserto della Siria. I monumenti nabatei classici riflettevano il carattere internazionale dell’economia Nabatea attraverso la combinazione della tradizione nativa con lo stile classico. Ma tra le cose più notevoli dei Nabatei sicuramente vanno citati i sistemi di ingegneria idraulica che svilupparono, incluso i sistemi di conservazione dell’acqua e le dighe che furono costruite per deviare le alluvioni invernali che creavano repentine inondazioni.

Nel 64-63 a.C., i Nabatei furono conquistati dal generale romano  Pompeo, la cui politica fu di recuperare le città prese dagli ebrei.  Tuttavia mantenne una protezione contro le tribù del deserto. Completamente sottomessa dai romani sotto l’imperatore Traiano nel 106 a.C., Petra formò con Nabataea una parte della provincia romana conosciuta come Arabia Petraea con Petra come capitale. Nel 131 d.C. Adriano, l’imperatore romano, visitò il sito e lo battezzò Petra Adriana.

La città continuò a fiorire durante l’epoca romana, con un Arco di Trionfo che attraversa il Siq, e strutture tombali tagliate nella roccia viva o costruite indipendentemente. Sotto il governo romano abbondano i monumenti classici romani, molti dei quali con elementi nabatei.