Un primo teatro anatomico fu costruito nel 1595, in un luogo diverso da quello definitivo, ma fu sostituito da uno più grande costruito tra il 1636 e il 1638 nella posizione attuale, su progetto dell'architetto Antonio Levanti. Il soffitto e la decorazione murale furono completati tra il 1647 e il 1649 ma solo il soffitto lacunare risale a questo periodo, con la figura di Apollo, il dio della medicina, al centro, circondata da immagini simboliche di costellazioni scolpite nel legno.
Il teatro subì diverse modifiche e raggiunse la sua forma definitiva tra il 1733 e il 1736. In questo periodo, Silvestro Giannotti scolpì le statue lignee che ancora decorano le pareti del teatro. Esse rappresentano alcuni famosi medici dei tempi antichi (Ippocrate, Galeno, ecc.) e del locale ateneo (Mondino de Liuzzi, Gasparo Tagliacozzi, rappresentato con un naso in mano, poiché era stato il primo a tentare la chirurgia plastica ricostruttiva). Le due famose statue degli "Spellati" sono opera del noto artista di dimostratori anatomici in cera, Ercole Lelli. Le statue sostengono il baldacchino, sormontando la sedia dell'insegnante e sormontati a loro volta dall'immagine allegorica di Anatomia. Al centro del teatro si trova il tavolo bianco su cui ha avuto luogo la dissezione di corpi umani o animali. Il teatro fu quasi completamente distrutto durante la seconda guerra mondiale, da un'incursione aerea del 29 gennaio 1944. Dopo la guerra il teatro fu ricostruito con esemplare rigore filologico, utilizzando tutti i pezzi originali recuperati tra le macerie dell'edificio.
La Sala dello Stabat Mater, cosi' chiamata in memoria della prima esecuzione, tenutavi il 18 marzo 1842, dello Stabat Mater di Gioachino Rossini, sotto la direzione di Gaetano Donizetti. Quest'ambiente solenne è uno dei più rappresentativi dell'antica sede universitaria, perché fastosamente decorato da varie composizioni gratulatorie che talvolta si sovrappongono a quelle più antiche.
Nella parete sud, il monumento al cardinale legato Fabrizio Savelli (1648) si impone con l'aquila bicipite sulla ornamentazione epigrafico-araldica preesistente. In alto un fregio con grandi stemmi intercalati da lesene con telamoni e cariatidi, emblema della natio germanica, è databile al 1569. Un grande affresco raffigurante la Vergine col Bambino, anch'esso del 1569, campeggia al centro della parete occidentale e sovrasta il luogo in cui era posta la cattedra.
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