Die Kaiserthermen in Trier gehörten mit einer Länge von 250 und einer Breite von 145 Metern nach den Anlagen in Rom selbst und den Trierer Barbarathermen zu den größten Badeanlagen des römischen Reiches. Der große Baukomplex wurde wie der Palastbereich im Zuge des Ausbaus der kaiserlichen Residenz Trier am Ende des 3. Jahrhunderts geplant und die Bauarbeiten zunächst zügig vorangetrieben.

Der Eingang im Westen führte durch einen weitläufigen, von Säulengängen umrahmten Sportplatz für Ballspiele und gymnastischen Übungen (Palästra) zu einem Brunnenhaus (Nymphäum). Dahinter erreichte man die eigentlichen Bäderanlagen, die von West nach Ost in der üblichen Abfolge angeordnet waren: Frigidarium (Kaltbad), Tepidarium (lauwarmes Bad) und Caldarium (Warmbad). Die Hallen waren gewölbt und müssen zum Teil gewaltige Decken getragen haben – wie die bis zu sieben Meter starken Fundamente vermuten lassen. Im Innern waren die Wände mit farbigem Putz und Marmor versehen.

Das Gebäude war wie alle Thermenanlagen mit einer Hypokausten-Heizanlage ausgestattet. Das unterirdische Bedienungssystem dieser Warmluftheizung hat wegen der Größe der Anlage den Charakter eines riesigen Labyrinths. Die weit verzweigten, noch heute gut erhaltenen und begehbaren Kanal-, Wartungs- und Bedienungsgänge hätten einen reibungslosen Betrieb der Anlage ermöglicht.

Doch die archäologischen Untersuchungen der Kaiserthermen haben ergeben, dass der Badebetrieb in den Thermen nie aufgenommen wurde: So wurden zum Beispiel die notwendigen Wasserinstallationen nie eingebaut. Der Rohbau dürfte noch vollendet worden sein. Aber nachdem Konstantin seine politischen Interessen in den Mittelmeerraum und seinen Amtssitz nach Konstantinopel verlegte, standen für den weiteren Ausbau des Trierer Residenzviertels keine Mittel mehr zur Verfügung und die Bautätigkeit wurde eingestellt.

Erst unter den Kaisern Gratian (375-383) und Valentinian II (375-392) erfolgte in einer zweiten Bauphase die Fertigstellung des Gebäudes und der Umbau in eine Kaserne. Bereits im Rohbau eingepasste Badebecken wurden wieder entfernt, die riesige  Westhalle abgerissen, die Bedienungsgänge mit Bauschutt gefüllt und der westliche Hof bedeutend vergrößert. In die Raumfluchten um diesen Hof wurden zahlreiche relativ kleine Kammern eingebaut.

Das ehemalige Caldarium mit seinen drei Apsiden und dessen Vorraum diente wahrscheinlich als Fahnenheiligtum und Exerzierhalle, das Tepidarium als Eingangsgebäude. Neben dem Caldarium errichtete man ein kleines Bad in der Art, wie sie in Militärstandorten häufig vorkamen.

Die Anlage bot danach Platz für etwa 800 bis 1.000 Mann der berittenen kaiserlichen Leibgarde und deren Pferde. Dies entspricht der damals üblichen Mannschaftsstärke und belegt die These von der Nutzung als Kaserne entgegen der Deutung von der Errichtung eines repräsentativen Kaiserforums.

Nach dem Abzug der römischen Verwaltung am Anfang des 5. Jahrhunderts wurden die Kaiserthermen bzw. die Kaserne für die kaiserliche Leibgarde zunächst nicht mehr genutzt. Das Bauwerk verfiel und wurde wie alle anderen römischen Großbauten der Stadt im Mittelalter als Steinbruch ausgebeutet.

Später sollen Familien des Stadtadels hier ihr Wohnquartier bezogen haben. So baute im Frühmittelalter ein Trierer Geschlecht, das sich nach seinem Wohnsitz „De Castello“ nannte, das ehemalige Warmbad (Caldarium) zur „Alderburg“ um.
Im 12. Jahrhundert unter Erzbischof Bruno (1102-1124) wurden die Reste der Thermen in die Stadtbefestigung einbezogen. Die Alderburg diente als südöstliche Eckbastion der mittelalterlichen Stadtmauer. Eines der unteren Fenster der südlichen Caldariumapsis wurde zum Stadttor, zur so genannten Altport.

Bereits im Frühmittelalter nutzten einige Siedler den großen Hof der ehemaligen Reiterkaserne zur Anlage eines Wohngebietes im Schutze der Burg. Im Zentrum der Siedlung lag die Pfarrkirche St. Gervasius. 1295 siedelten sich der Schwesternkonvent von St. Agneten an und betreute die Gemeinde. Auf dieses Jahr geht auch die Errichtung der Klosterkirche St. Agnes im Nordwesten des ehemaligen Thermengeländes zurück. Im 15. Jahrhundert übernahmen Augustinerinnen das Kloster. 1802 schließlich wurde St. Gervasius – wie viele anderen Kirchen und Klöster – abgerissen und das Kloster aufgelöst.

Die Rekonstruktionszeichnung zeigt einen möglichen Zustand um 1450.

Im frühen 18. Jahrhundert entstand in den baulichen Überresten der Kaiserthermen ein barocker Neubau, der später zur preußischen Kaserne umfunktioniert und schließlich ein Wohnquartier wurde, das den Zweiten Weltkrieg jedoch nicht überdauerte.

Nach dem Zweiten Weltkrieg waren von den Kaiserthermen und ihren Nachfolgebauten nur noch die unteren Fensterbögen der Apsiden und von den oberen Bogenreihen nur unverbundene Mauerreste erhalten. Die seit 1971 veränderte Verkehrsführung und die dadurch verursachte Zunahme von Erschütterungen sowie die Folgen nicht beseitigter Kriegsschäden erforderten eine grundlegende Sanierung, die rechtzeitig zur 2000-Jahrfeier der Stadt Trier im Jahr 1984 realisiert wurde.
Dazu zählten Neuverfugungen, kleinere Ergänzungen, Steinaustausch und vor allem der umstrittene Wiederaufbau der Ostapsis, der jedoch wesentlich zur Sicherung der antiken Substanz und zur Stabilisierung der statischen Verhältnisse beigetragen hat. Im Allgemeinen wurden die Mauern nach Bedarf geringfügig erhöht und zum Teil begrünt.

Heute betreten Besucher den erhaltenen Teil bei der kleinen Badeanlage der Kaserne. Von dort aus kann man das Gebäude in der Kellerebene der Thermenbauphase – ungefähr drei Meter unter dem tatsächlich benutzten Fußboden – durchwandern. Die ausgedehnten Kellergänge begleiten 83 Meter lang die Langseiten des ehemaligen Kaltbades (Frigidarium) und lassen damit die geplante Größe des Bauwerkes eindrucksvoll erfassen. Vom Warmbad (Caldarium) aus kann man in die unterirdischen Bedienungsgänge hinabsteigen oder zum Frigidarium hinübergehen. Das zum Eingangsaal umgebaute lauwarme Bad (Tepidarium), ein Raum von 16,44 Meter Durchmesser, weist noch einen Fußboden  auf der tatsächlich benutzten Höhe auf.

Die große Palaestra im Westteil der Kaiserthermen, einstmals ein nicht überdachter Sportplatz für Ballspiele und gymnastische Übungen, ist heute ein öffentlich zugänglicher Rasenplatz, der noch von den ein Meter hohen erhaltenen Ruinen der westlichen Thermenbauten umsäumt wird. Die Palaestra wird zum Teil für Circusdarbietungen, für die Römerspiele „Brot und Spiele“ oder für andere Veranstaltungen verwendet und in der verbleibenden Zeit von der Trierer Bevölkerung für Spiel und Amateursport genutzt.

Seit 2005 wird über dem Nordteil der Ruinen ein Gebäude errichtet, das für den Einlass zu den in den Ruinen stattfindenden Veranstaltungen (vor allem Konzerte, Antikenfestspiele) benutzt wird. Der frühere Warmbadesaal bietet heute mit bis zu 650 Sitzplätzen ausreichend Platz für Theateraufführungen.