Construits entre 298 et 306, ce furent les plus grands établissements thermaux de l'époque impériale. Le mur d'enceinte qui délimitait une superficie presque parfaitement quadrangulaire de 14 hectares, outre à être pourvu d'arcades vers l'intérieur, était doté de pièces et de salles destinées à divers usages.

Du côté nord, l'actuelle rue Gaeta, s'ouvraient les entrées par lesquelles le public accédait aux vestiaires, aux gymnases, aux salles de massages et aux autres salles, disposés symétriquement sur l'axe majeur, tandis que sur l'axe mineur se succédaient la basilique, la calidarium ( bain chaud), le tepidarium ( bain tiède) et la natatio (bassin pour la natation), selon le schéma fixé par les plus antiques thermes de Trajan.
La grande exèdre, utilisée comme théâtre dans l'antiquité et transformée en Place de la République à l'époque moderne, appartenait elle aussi au mur d'enceinte.
De nombreuses salles des antiques thermes ont été réutilisées au cours des siècles et adaptées à accueillir des musées, des facultés universitaires et des églises.
Malgré les nombreuses transformations et altérations des structures, la planimétrie de cet énorme complexe thermal, à la construction duquel auraient participé, selon la tradition, 40000 personnes, est encore aujourd'hui parfaitement reconnaissable.