Le site de la ville antique de Cemenelum présente trois ensembles thermaux complets, des rues, un réseau d’égouts, une schola, une domus et des boutiques. Près du site, dans le jardin des Arènes, l’amphithéâtre marque la limite Nord-Ouest de la ville antique. Majoritairement du IIIe siècle, ces vestiges comportent différentes époques de construction du Ier au Ve siècle. Un mur du Ier siècle limite les thermes du Nord datés du IIIe siècle. Cet ensemble thermal du Nord présente une salle froide, frigidarium ayant conservé une élévation de plus de 10 mètres. Pourvue d’un bassin, elle est en communication avec les salles chauffées, le tepidarium (salle tiède), le sudatorium (étuve) et les deux caldaria (salles chaudes). A l’extérieur, le terrain de sport, la piscine et le bâtiment des salles annexes avec les latrines (toilettes collectives), sont autant d'informations sur la vie des romains et les aspects techniques de ces bâtiments, notamment le système de chauffage (cf. maquette dans le musée).L’ensemble thermal de l’Ouest, remanié fin IVe- début Ve siècle, abrite les vestiges d’une église et d’un baptistère paléochrétien, dernières manifestations de vie urbaine au Ve siècle.
Des maquettes de ces édifices sont présentées dans le belvédère du musée qui permet en même temps la vision du site.