Sie wurden zwischen 298 und 306 gebaut und waren die größten Thermen der Kaiserzeit. Die Außenmauer umfasste eine fast quadratische Fläche von 14 Hektar und hatte auf der Innenseite eine Säulenhalle, außerdem Räume und Säle für verschiedene Zwecke.

Auf die Nordseite, die heutige via Gaeta, gehen die Eingänge, durch die das Publikum in die Umleideräume, die Palästren, die Massageräume und die anderen Räume gelangte, die symmetrisch um die Hauptachse herum angelegt waren, während auf der kleineren Achse Basilika, Calidarium und Tepidarium sowie das Schwimmbecken aufeinander folgten, wie dies dem in den älteren Trajansthermen entwickelten Schema entsprach.
Zur Umfassungsmauer gehörte auch die große Exedra, die einst als Theater diente, und in moderner Zeit zur Piazza della Repubblica umgebaut wurde.
Viel Räume der antiken Thermen sind im Lauf der Jahrhunderte wiederverwendet und in Museen, Universitätsfakultäten und Kirchen umgebaut worden.
Trotz der zahlreichen Umbauten und Veränderungen an den Bauten kann man den Plan dieses riesigen Themalkomplexes, bei dessen Bau angeblich 40000 Christen mitgearbeitet haben sollen, noch heute perfekt erkennen.