L'anfiteatro fu costruito a cavallo fra gli ultimi anni del I secolo e i primi del II (la datazione dell'edificio è da porsi in età adrianea, 117-138 d.C.). Esso, che subì durante i secoli gravissime menomazioni, fu esplorato per la prima volta negli anni 1914-1915; gli scavi, interrotti a causa della guerra, furono ripresi nel 1926. Dal 1950 il monumento è stato sottoposto a periodici restauri che lo hanno portato completamente alla luce.

Si sono potute facilmente ricostruire le misure dell'anfiteatro: si tratta di una struttura con arena di grandi dimensioni (71,9 x 42,7 metri), solo di poco inferiore a quella del Colosseo (77 x 46,5 metri). Assai minore è, in proporzione, lo spessore della fascia muraria (24,7 metri). Le strutture dell'anfiteatro aretino alternano rivestimenti di tipo canonico ad altri di tipo più raro. Le volte dei corridoi anulari sono in opus coementicum (malta mista a coementa, ossia pietrame tufaceo o siliceo). Nei rivestimenti murarii viene adottato l'opus mixtum, si alterna cioè l'opus reticulatum (quadrelli disposti in lunghi filari obliqui) all'opus vittatum (file, vittae, di tufelli rettangolari alternate a superfici laterizie). Le scale interne sono in travertino, all'esterno, l'anfiteatro era probabilmente rivestito di arenaria locale.

L'anfiteatro ha subito diversi saccheggi nel corso degli anni e parte del materiale è stato utilizzato per realizzare alcuni edifici religiosi. Una testimonianza di questo uso è il Monastero di San Bernardo, che fu realizzato nel XVI secolo a ridosso dell'emiciclo sud e che oggi ospita il Museo Archeologico.