Der monumentale Ziegelbau der Palastaula diente einst als Empfangshalle der römischen Kaiser, die bis zum Ende des 4. Jahrhunderts nach Christus in Trier residierten. Da Trier zwischen 286 und 293 der bevorzugte Aufenthaltsort von Kaiser Maximianus war, dürften in diese Zeit die Planungen zum Ausbau von Trier zur Kaiserresidenz und Zentrum römischer Politik fallen. Während der Regierungszeit seines Schwiegersohnes Constantius (293-306) begannen die Bauarbeiten am neuen Palast.

Wie häufig in diesem Stadtbezirk von Trier wurde der Neubau auf den Ruinen eines Vorgängerbaus erstellt. Diese Anlage aus dem 2. Jahrhundert nach Christus verfügte über einen großen Saal mit wahrscheinlich offener Vorhalle und hatte wohl eine ähnliche Funktion wie die spätere Aula Palatina: Sie diente Empfängen, Zusammenkünften, Festen und der Repräsentation. Das Gebäude wird als Amts- und Wohnsitz des Legatus Augusti, des kaiserlichen Statthalters, gedeutet, denn nur dieser benötigte für die Durchführung seiner Amtsgeschäfte eine repräsentative Empfangshalle. Die freigelegte Halle ist heute unter der Basilika zu besichtigen.

Allein die Ausmaße der neuen Aula Palatina machen heute den Unterschied zwischen der Residenz eines Statthalters und der eines kaiserlichen Prunksaals sehr deutlich: Der rechteckige Hallenbau der Palastaula misst außen einschließlich der halbrunden Apsis 71,50 Meter in der Länge und 32,60 Meter in der Breite. Die genaue antike Höhe ist nicht bekannt. Sie wird etwa 33 Meter betragen haben, die Giebelhöhe lag bei rund 40 Metern. Die massiven Außenmauern sind 2,70 m dick.

Grabungen haben ergeben, dass die Palastaula entgegen dem heutigen Erscheinungsbild in römischer Zeit nicht frei stand: Man betrat den Hauptraum durch eine quer davor liegende Vorhalle. Der Baukomplex war also ursprünglich T-förmig. Diese Vorhalle war 67 Meter lang, in der vorspringenden Mitte 16,50 Meter tief und schloss an einer Seite mit einer Apsis ab. Zu beiden Seiten der großen Aula standen – durch Zwischenbauten oder Säulenhallen getrennt – zwei weitere Saalbauten für kleinere Ereignisse.

Das Mauerwerk aus roten Ziegeln war außen ursprünglich mit einem grau-weißen Kalkputz versehen, dem Ziegelsplitt zugesetzt war. Nur die Fensterlaibungen waren farbig gestaltet. Sie waren mit goldenen Ranken auf weinrotem Grund ausgemalt. Reste sind noch gut an den unteren Festern zu erkennen. Die Malereien finden in dieser Qualität im ganzen römischen Reich keine Parallele. Im Inneren der gewaltigen Halle besaßen die Wände bis unter die obere Fensterreihe eine Marmorverkleidung. In Höhe der unteren Fensterbänke gliederte ein waagerechtes Gesims die Wände.

Der Fußboden war mit schwarzen und weißen Marmorplättchen ausgelegt und über eine Hypokaustanlage zu beheizen. Die dazu notwendigen Heizräume (Präfurnien) versorgten auch die bis zu den Fenstersimsen reichende Wandheizung mit Warmluft.

Die Raumtiefe wurde durch optische Raffinessen noch unterstrichen - sowohl die Fenster der Apsis als auch die Nischen darunter werden zur Mitte hin kleiner und schaffen damit die gewünschte perspektivische Illusion.
Im unteren Teil der Triumphbogenwand und der Apsis waren Nischen eingelassen, die mit Säulen und Baldachinen ausgestattet waren. Hier war Platz für Marmorbildnisse der kaiserlichen Familie. Den oberen Abschluss der Aula bildete wahrscheinlich eine hölzerne, reich gezierte farbige Kassettendecke.

Mit diesem Bauwerk für repräsentative Zwecke dokumentierten die Römer kaiserliche und imperiale Macht. Bei Empfängen, Audienzen und Festen konnte hier vorgeführt werden, wozu das Reich selbst in seinen Provinzen in der Lage war.

Um 475 gelangte Trier in den fränkischen Herrschaftsbereich. Die römische Palastaula verlor in dieser Zeit eklatant an Bedeutung: Anstatt das monumentale Bauwerk zu Repräsentationszwecken zu nutzen, wurde es nach der teilweisen Zerstörung zu einer Festung herabgestuft.
Ein fränkischer Gaugraf soll der Überlieferung nach seinen Amtssitz im Bereich der römischen Anlage genommen haben. Es ist davon auszugehen, dass seine Unterkunft in einem der Seitentrakte lag, die bereits zu römischer Zeit über kleinere Saalbauten verfügten. Die Fenster der Palastaula jedoch wurden zugemauert, die dachlose Ruine später als Hort für eine ganze Siedlung genutzt.

Zu einer regelrechten Burg geriet die Palastaula unter Erzbischof Johann I. (1189-1212). Die Mauerkronen von Saal und Apsis wurden mit festungsähnlichen Zinnen versehen, hinter denen wahrscheinlich auch ein Wehrgang entlanglief. An den Ecken befanden sich vier Türmchen, über die das Dach erreichbar war. Die großen römischen Fenster waren in dieser Zeit vermauert und durch kleinere ersetzt. Die Palastaula diente nun als Residenz der Erzbischöfe, die gleichzeitig auch die weltliche Macht innehatten.

Nordwestlich schloss sich in dieser Zeit die Laurentiuskirche an, deren Anfänge möglicherweise schon auf das 5. Jahrhundert zurückreichen. Die Kirche veränderte im Laufe der Zeit mehrfach ihr Aussehen, ein Neubau wird für die Zeit um 1260 vermutet.

Unter Lothar von Metternich, in der Zeit von 1599-1623 Erzbischof und Kurfürst von Trier, kam es zu einer erheblichen Erweiterung der Palastaula. Metternich ließ nach 1614 eine monumentale Vierflügelanlage errichten und dazu Teile des römischen Bauwerkes abreißen: Die Ostwand und der größte Teil der Südwand der Palastaula wurden abgebrochen, das römische Mauerwerk dadurch niedriger. Die Westseite diente als Westflügel der Renaissanceanlage. Architekt war vermutlich der Straßburger Georg Ridinger, der zuvor schon das Aschaffenburger Schloss entworfen hatte.
Von diesem Renaissancebau sind heute nur noch zwei Flügel übrig, die aufgrund der starken Zerstörung im Zweiten Weltkrieg nur fragmentarisch überkommen sind.

In ihrer Schmucklosigkeit kontrastieren die Fassaden der Spätrenaissance stark mit dem Südflügel des Kurfürstlichen Palais im Rokokostil. Diesen Teil ließ der baufreudige Kurfürst Johann Philipp von Walderdorff (1756-1768) von dem Hofarchitekten Johannes Seiz, einem Schüler Balthasar Neumanns, errichten. Seiz schuf die lang gestreckte Gartenfassade gemeinsam mit dem Bildhauer Ferdinand Tietz.