Zu Constantius’ Machtbereich zählten Hispanien, Gallien und Britannien, wobei Britannien und Teile Nordgalliens zunächst durch die Revolte des Carausius seinem Zugriff entzogen waren. Gleich nach seiner Thronbesteigung gelang ihm die Rückeroberung derjenigen Teile Galliens, die zum Britannischen Sonderreich gehörten. Nach Britannien übersetzen konnte er aber erst 296, nachdem er sich eine Flotte zusammengestellt hatte.

In der Zwischenzeit besiegte er die Franken im Mündungsgebiet des Rheins und siedelte sie als Kolonen in Gallien an. 296 schliesslich setzte er mit zwei Flotten über den Ärmelkanal, die eine unter seiner eigenen, die andere unter der Führung seines Prätorianerpräfekten Asclepiodotus. Diesem gelang es, mit seiner Flotte durch den dichten Nebel bei der Isle of Wight unbemerkt an der feindlichen Flotte vorbeizugelangen und in Britannien zu landen. Constantius kam allerdings im selben Nebel vom Weg ab und konnte erst an Land gehen, als Asclepiodotus bereits die gegnerische Hauptstreitmacht besiegt und deren Anführer, den Usurpator Allectus, getötet hatte. Constantius I. wurde nach dem Rücktritt Diokletians und Maximians am 1. Mai 305 gemeinsam mit Galerius selbst Oberkaiser (Augustus). Im Jahre 306 (wahrscheinlich Ende Juli) starb Constantius in Eboracum (dem heutigen York) auf einem Feldzug gegen die Pikten und Skoten. Er wurde in einem Mausoleum in Trier bei der heutigen Kirche St. Maximin beigesetzt. Die Truppen riefen seinen Sohn Konstantin zu seinem Nachfolger aus. Das war der Anfang vom Ende für das von Diokletian erdachte Mehrkaisermodell. Das römische Grenzkastell Constantia am Bodensee, bestehend etwa seit dem Anfang des 4. Jahrhunderts, wurde wahrscheinlich nach Constantius Chlorus benannt und sollte später zur Keimzelle der Stadt Konstanz werden.