Η θέση του μνημείου παρουσιάζει μια εξαιρετικά σύνθετη στρωματογραφία, καθώς οι Θέρμες εδράζονται πάνω σε επάλληλες οικοδομικές φάσεις.
Στον χώρο προϋπήρχε κατά τον 5ο αι. π.Χ. το Ιερό της Εστίας των Πισατών (Νοτιοανατολικό Κτήριο). Τον 1ο αι. μ.Χ. (65-67 μ.Χ.), το κτήριο κατεδαφίστηκε για την ανέγερση της πολυτελούς Οικίας του Νέρωνα, η οποία προοριζόταν για τη φιλοξενία του αυτοκράτορα κατά τη συμμετοχή του στους Αγώνες. Η τελική μορφή των Ανατολικών Θερμών ολοκληρώθηκε κατά την περίοδο της δυναστείας των Σεβήρων (τέλη 2ου – αρχές 3ου αι. μ.Χ.), ενσωματώνοντας και μετασκευάζοντας τμήματα της νερώνειας οικίας.
Το συγκρότημα οργανώνεται γύρω από μια εσωτερική περιστύλια αυλή. Το κεντρικό δωμάτιο (Χώρος Ο), που λειτουργούσε ως tepidarium (χλιαρό λουτρό), διαθέτει οκταγωνική κάτοψη με γωνιακές κόγχες, οι οποίες στεγάζονται με τεταρτοσφαίρια.
Στα βόρεια του Οκταγώνου αναπτύσσεται το frigidarium (ψυχρό λουτρό), μια αίθουσα με σταυροθόλιο και μεγάλες δεξαμενές. Το συγκρότημα περιλαμβάνει επίσης sudatoria (εφιδρωτήρια) και δωμάτια θερμού λουτρού, τα οποία θερμαίνονταν μέσω εξελιγμένων συστημάτων υποκαύστων.
Η τροφοδοσία τους γινόταν από θερμαντικούς κλιβάνους (praefurnia) που εντοπίζονται στη νότια και ανατολική πλευρά.
Οι τοιχοποιίες είναι κατασκευασμένες με την τεχνική opus testaceum και opus mixtum, ενώ σώζονται ίχνη από τις πλούσιες ορθομαρμαρώσεις και τα επιχρίσματα που κάλυπταν τους τοίχους.
Τα δάπεδα ήταν διακοσμημένα με πολυτελή μωσαϊκά, με χαρακτηριστικότερο αυτό που απεικονίζει θαλάσσιες θεότητες, το οποίο μαρτυρά την υψηλή αισθητική των λουτρών κατά τη ρωμαϊκή αυτοκρατορική περίοδο
Κατά την ύστερη αρχαιότητα και τους πρώιμους βυζαντινούς χρόνους (5ος-6ος αι. μ.Χ.), ο χώρος εγκαταλείφθηκε ως λουτρό και επαναχρησιμοποιήθηκε για βιοτεχνικές δραστηριότητες, όπως εργαστήρια κεραμικής.
Στα ερείπια έχουν εντοπιστεί επίσης παλαιοχριστιανικοί τάφοι.
Σήμερα, το μνημείο βρίσκεται υπό καθεστώς μερικής αναστήλωσης, καθώς παρουσιάζει δομικά προβλήματα (ρωγμές στην ανωδομή, αποσάρθρωση κονιαμάτων) λόγω των αιώνων κατάχωσης και της βιολογικής επικάθησης.
