È stato attribuito agli stessi architetti del Colosseo, del quale è di poco successivo. Alcuni testi riportano la sua edificazione sotto Vespasiano e la sua inaugurazione probabilmente da Tito. Secondo alcuni studiosi, la presenza di muratura realizzata con la tecnica dell'opus reticulatum, farebbe pensare ad una sua realizzazione sotto Nerone, rimossa poi con un processo di damnatio memoriae. La tecnica muraria comprende, tuttavia, anche l'utilizzo di laterizi; inoltre, il ritrovamento di un'iscrizione epigrafica che recita così "Colonia Flavia Augusta/Puteolana pecunia sua (cioè, "la Colonia Flavia Augusta costruì a sue spese") ed il fatto stesso che la tipologia dell'anfiteatro puteolano è del tutto simile a quella del Colosseo darebbero ragione ad una collocazione cronologica del monumento in età Flavia. Gli scavi archeologici ebbero inizio nel 1839 e si conclusero alla fine dello stesso secolo ma, solo nel 1947, a seguito di una nuova campagna di scavo, il monumento fu definitivamente liberato dai detriti che si erano accumulati nel corso degli anni.

La struttura, di pianta ellittica, misura 149 x 116 metri. All'esterno la facciata, che comprendeva tre ordini di arcate sovrapposti, poggianti su pilastri e sormontati da un attico, era, in origine, preceduta da un portico ellittico impiantato su di una platea di lastroni in travertino i cui pilastri originari in piperno ornati da semicolonne vennero in séguito rinforzati con grandi pilastri in laterizio.

All'interno, al quale si accedeva mediante i quattro ingressi principali o attraverso altri dodici secondari, l'arena, sul cui perimetro si aprivano diverse botole, anche lungo la "fossa scenica" ("asse mediano" o "media via"), le quali venivano chiuse con tavole di legno durante gli spettacoli, da dove le belve (tigri, leoni e giraffe) facevano la loro entrata, ha i due semiassi di 72,22 e 42,33 metri. La cavea, divisa in tre livelli di gradinate (ima, media e summa), permetteva di contenere fino a 40.000 spettatori.

Nei sotterranei, posti a circa 7 metri di profondità, sono tuttora visibili parti degli ingranaggi per sollevare le gabbie che portavano sull'arena belve feroci e probabilmente altri elementi di scenografia degli spettacoli.