Το βαλανείο (λουτρό) των ρωμαϊκών χρόνων, που βρίσκεται στην περιοχή του Ζαππείου αναπτύσσεται σε ειδικά ισοπεδωμένο χώρο πλάτους 21 μέτρων, μεταξύ δύο μεγάλων σε μήκος και ύψος τοίχων, επιμελημένης κατασκευής, που έχουν ενσωματώσει στην τοιχοδομία τους παλαιότερα αρχιτεκτονικά μέλη. Συνεχίζεται τόσο προς τα ανατολικά, μέσα στον Εθνικό Κήπο, όσο και προς τα δυτικά, στο κατάστρωμα της λεωφόρου Αμαλίας και περιλαμβάνει δύο αίθουσες με υπόκαυστα, δύο εστίες πυροδότησης (praefurnia) και εννέα δεξαμενές.


Η μεγαλύτερη αίθουσα φέρει 15 στυλίσκους υποκαύστων, άλλοτε κυλινδρικών, άλλοτε ορθογωνίων και διαχωριστικά τοιχία. Πρόκειται για την αίθουσα των καυτών λουτρών (caldarium). Αμέσως βόρεια ανοίγεται άλλος επιμήκης υπόκαυστος χώρος, που το δάπεδό του στηριζόταν σε 17 μαρμάρινους επιτύμβιους κιονίσκους σε δεύτερη χρήση αντί υποκαύστων. Πρόκειται για την αίθουσα των χλιαρών λουτρών (tepidarium). Οι δύο εστίες πυροδότησης συνδέονται με την αίθουσα των καυτών λουτρών με υπόγειες αψιδωτές διόδους. Η κυκλοφορία του θερμού αέρα γινόταν μέσω τριών μικρών δεξαμενών. Στους τοίχους των δεξαμενών κατακόρυφα ανοίγματα εξασφάλιζαν εξαερισμό, αλλά και θέρμανση των ίδιων των τοίχων. Σ' αυτή τη φάση ανήκει μεγάλη ορθογώνια δεξαμενή επιμελημένης κατασκευής με παχύ υδραυλικό κονίαμα εσωτερικά και μαρμάρινες πλάκες εξωτερικά, η οποία μέσω δύο οπών, διοχέτευε νερό σε δύο μαρμάρινες λεκάνες που βρέθηκαν στη θέση τους.


Στη δεύτερη φάση του 5ου / 6ου αιώνα μ.Χ. οι υπόκαυστες αίθουσες των αρχών του 4ου αι. μ.Χ. επισκευάζονται και ξαναχρησιμοποιούνται. Οικοδομούνται 4 νέες δεξαμενές με πλακοστρωμένα δάπεδα. Μία απ' αυτές διαμορφώνεται υπόγεια με θολωτή οροφή, στην οποία ανοίγεται φρεάτιο για την άντληση του νερού. Εσωτερικά έχει επιμελημένη κατασκευή με πλακοστρωμένο δάπεδο και φέρει στο βόρειο τοίχο της ιχνογραφήματα αμελούς απόδοσης με ανθρώπινες μορφές, ψάρια, πτηνά και σταυρούς. Πιθανότατα αυτές οι πρόχειρες τοιχογραφίες παραπέμπουν σε μεταγενέστερη χρήση της δεξαμενής ως καταφυγίου ή μαρτυρίου στα πρώιμα χριστιανικά χρόνια.


Στους βυζαντινούς χρόνους πήλινοι πίθοι για αποθήκευση σιτηρών σφηνώνονται στα δάπεδα των δωματίων του λουτρού, ορισμένοι από τους οποίους έχουν τοποθετηθεί στο νότιο τμήμα του αρχαιολογικού χώρου.