Erigido en el 8 a.C. como atestiguan las inscripciones halladas en sus tribunas, el Anfiteatro sirvió de escenario para espectáculos muy populares: los juegos de gladiadores, las cacerías de fieras y la lucha entre animales salvajes en escenarios artifíciales que recreaban bosques, selvas con lagunas o desiertos, todo ello sobre las grandes tarimas de madera que formaban la arena. La capacidad aproximada de este edificio gigantesco era de entre quince y dieciséis mil espectadores.

El anfiteatro tiene forma elíptica, con un eje principal de 126 m y uno menor de 102 m, mientras que la arena mide 64 m por 41 m. Las gradas o cáveas tienen espacio para 15000 personas. Las gradas de su lado este se construyeron sobre el cerro de San Albín, al igual que las del teatro adyacente. Dieciséis puertas se abren al exterior en la fachada, la principal de las cuales es la que se encuentra en el extremo del eje occidental. Dos de las puertas situadas al noreste están cerradas por la muralla.

Como en casi todos los edificios romanos de este tipo, sus gradas se dividen en tres sectores: ima, media y summa cavea —inferior, media y superior—. De la superior no quedan apenas restos debido a su utilización como cantera  durante la Edad Media.  En la ima cavea se pueden observar las restauraciones que efectuó José Menéndez Pidal a mediados del siglo XX.

Sobre las primeras gradas se construyeron dos tribunas, una en cada extremo del eje menor del anfiteatro. A la del oeste, reservada para las autoridades, se accede por dos escalerillas que parten de la galería que viene de la puerta principal. La del este, que cuenta con dos escaleras que la comunican directamente con la arena, era ocupada por la persona que financiaba el espectáculo (editor). En los frentes de ambas estuvieron colocadas las inscripciones que han permitido conocer la fecha de inauguración del edificio y que hoy se hallan en el cercano Museo Nacional de Arte Romano (MNAR). Algunos restos encontrados hacen suponer la existencia de otros dos palcos de honor sobre las puertas de acceso a la arena que se abren en los extremos del eje mayor.

La arena, de forma elíptica, era donde se desarrollaban los espectáculos. Está separada de la cávea por un alto podio para proteger al público. En la antigüedad este murete estuvo recubierto de mármol, rematado por una cornisa y decorado con las pinturas murales que hoy se custodian en el MNAR y que representan los espectáculos que se desarrollaban en el anfiteatro. En el centro de la arena se cavó una gran fosa en forma de cruz sobre la que se han vertido numerosas opiniones. Casi sin ninguna duda estuvo recubierta por un entarimado que la hacía invisible y su interior sirvió para almacenar las jaulas de las fieras y material escénico.

Dos largas galerías en los extremos del eje mayor permitían, además del acceso a las gradas, la entrada de los gladiadores a la arena. A ambos lados de cada una de ellas, junto a la arena, se abren habitaciones reservadas para los gladiadores o para las fieras. Según se deduce de una inscripción encontrada en la galería sur, es probable que algunas de estas estancias estuvieran dedicadas al culto de la diosa Némesis, deidad protectora de los gladiadores.