Gæsterne måtte fuldføre kampen med ti spillere, efter at indskiftede Moise Kean blev udvist i overtiden - blot ét minut efter sin indskiftning - da temperamentet kogte over.
Romerne tog føringen i begyndelsen af anden halvleg, da Gianluca Mancini trykkede til bolden og styrede den i mål ude ved stolpen til 1-0.
Juventus var tæt på at få udlignet kort efter, da Juan Cuadrado fra en spids vinkel på kanten af straffesparksfeltet tordnede et frispark på ydersiden af stolpen.
Gæsterne jagtede udligningen frem til det sidste. Inden de syv tillægsminutter gik i gang, smed Juventus-træner Massimiliano Allegri Moise Kean ind fra bænken i et håb om, at angriberen kunne ændre resultatet.
Men i stedet for at skabe en forløsning for Juventus blev Kean udvist med et direkte rødt kort. Indskifteren lod sig irritere over en nærkamp med Roma-målscorer Mancini og sparkede ud efter ham.
Juventus var mødt op i hovedstaden ovenpå fire sejre i træk, hvilket atter havde bragt klubben i spil til en placering i top-fire og dermed kvalifikation til Champions League i næste sæson.
Mange havde formentlig troet, at top-fire-muligheden forduftede i januar, da Juventus blev fratrukket 15 point for at have værdisat sine spillere forkert. Sagen er dog appelleret.
Søndagens nederlag betyder, at vejen til top-fire begynder at se svær ud for Juventus, der er på ottendepladsen med 35 point. Roma er nummer fire med 47 point.
Tidligere på søndagen vandt Inter på hjemmebane med 2-0 over Lecce med Morten Hjulmand på midtbanen.
Scoringer fra Henrikh Mkhitaryan og Lautaro Martínez betød, at Inter fik rejst sig fra et nederlag til Bologna i sidste spillerunde.
Sejren betyder, at Inter holder fast i andenpladsen med 50. Der er dog 15 point op til førerholdet Napoli.