Situate sulla sommità del Colle Oppio, nella terza regione augustea, le terme furono costruite, come ricordano le fonti letterarie antiche, su progetto del più famoso architetto dell'epoca, Apollodoro di Damasco e dedicate da Traiano nel 109 d.C.

La planimetria del complesso termale si può facilmente ricostruire, sia sulla base dei resti monumentali, isolati e identificati durante i lavori per la creazione del Parco Traiano negli anni Trenta, sia per la somiglianza con le altre grandi terme conservate, sia anche per un frammento della Forma Urbis marmorea che ne rappresenta una parte; l'orientamento su un asse nord-est - sud-ovest, differente da quello nord-sud delle strutture precedenti, sembra condizionato dalla volontà di ricercare la posizione migliore rispetto al sole e ai venti, in modo da garantire al calidario una maggiore e più lunga esposizione al calore solare. 

Il complesso si estendeva su una superficie di circa 60.000 metri quadri sopra altri ambienti, in parte preesistenti (come il padiglione esquilino della Domus Aurea o l’edificio dell’affresco della “Città Dipinta”), in parte appositamente edificati, con la funzione di sotterranei di servizio e di collegamento fra le varie parti delle terme.

Il progetto dell’impianto termale si presentava sicuramente innovativo rispetto a quanto fino allora conosciuto, con la caratteristica di un’ampia area verde, libera da costruzioni racchiusa in un recinto porticato, che circondava su tre lati il corpo edilizio centrale con gli ambienti destinati ai bagni e alla cura del corpo. 

Vari ingressi permettevano di entrare nel recinto termale su tutti i lati; dall’ingresso monumentale a Nord-Est si accedeva al complesso dei bagni, che iniziava dalla natatio, la grande piscina di acqua fredda, cui faceva seguito, sullo stesso asse, il grande frigidario centrale e poi le stanze per i bagni tiepidi e caldi (tepidarium ed il calidarium); sui lati di questo asse erano gli spogliatoi e le palestre.
Del corpo centrale rimangono oggi poche strutture: l'esedra della palestra orientale e accanto l'abside di un'aula del lato Sud; nelle vicinanze, parte di murature inglobate in una piccola costruzione, già casino di caccia dei Brancaccio.

Del recinto esterno sono ancora oggi visibili il grandioso emiciclo centrale del lato sud, di cui è tuttora perfettamente conservato il livello inferiore (visibile dove oggi si trova l’ingresso della Domus Aurea), e le esedre Sud-Ovest e parte di quella Sud-Est, tradizionalmente identificate con due biblioteche: la concezione romana dell'uso delle terme prevedeva infatti oltre al vero e proprio bagno anche attività sportive, di svago e di cultura. Resti dell’esedra Nord-Est sono visibili sul margine settentrionale del Parco, quasi di fronte alle Sette Sale, nome con cui è conosciuta la grande riserva d’acqua che assicurava il rifornimento delle Terme.