Este gran conjunto termal se construyó durante el reinado de Trajano, en torno al año 110 d.C., época a la que pertenece el retrato de Marciana, hermana del emperador Trajano, hallado en su interior. El edificio se desarrolla alrededor de un patio de grandes dimensiones utilizado como gimnasio (A) rodeado por una columnata y un sector termal situado en la entreplanta. El suelo del apodyterium (vestuario) (B) era de mosaico con teselas blancas y negras y representaba unos atletas, mientras que otro mosaico polícromo decoraba el frigidarium (sala para baños fríos) (C), donde en el siglo III d.C. se añadió una piscina de gran tamaño dotada de ábside (D). El sector meridional del complejo lo ocupaban los ambientes con sistema de calefacción (E-G). En el siglo IV d.C. una parte del ala meridional (H) fue transformada en un complejo termal independiente que se comunicaba directamente con la Via Severiana. Posteriormente las Termas de Porta Marina fueron objeto de otras restauraciones hasta la época de Teodorico (493-526 d.C.).