La struttura si sviluppa entro un'area rettangolare (75 metri di lunghezza per 58 metri di larghezza). La sua costruzione è ritenuta dai più risalente all'età flavia; i segni di successivi interventi di restauro testimoniano la longevità e l'assiduità di fruizione del centro in epoca romana.

Di particolare valore artistico sono, inoltre, i materiali utilizzati per l'interno del tempio (di eccezionale bellezza i marmi ed i mosaici). L'abside è a semicupola; la statua di Serapis (divinità protettrici del commercio) è collocata al di sotto di esso.

Le tabernae si sviluppano intorno ad un ampio porticato, al cui centro si eleva una tholos, chiuso da una esedra preceduta da quattro colossali colonne, delle quali si osservano tre ancora in piedi. Le vaste tracce del pavimento marmoreo, e il rivestimento dei servizi igienici sono la testimonianza di una incomparabile ricchezza architettonica del monumento.

Per il duplice interesse che esso ha, archeologico e geologico, è il monumento più singolare di tutta la regione flegrea, ed uno dei più noti di tutto il mondo antico. Invaso e sommerso dalle acque termominerali che scaturiscono in gran copia dal sottosuolo in prossimità del litorale, esso rappresenta l'indice metrico più prezioso e preciso che abbia per misurata il fenomeno di abbassamento e di sollevamento della croste terrestre (bradisismo), che si manifesta in modo così accentuato ed evidente lungo il litorale del golfo di Pozzuoli. le tre grandi colonne di cipollino grigio che fronteggiano, ancora diritte sulle loro basi, la cella semicircolare al centro della parete di fondo, servono esse stesse di strumento di misurazione, poiché lungo il fusto i fori dei litodomi (molluschi foraminiferi che vivono a pelo d'acqua), indicano chiaramente il livello più alto a cui è giunta l'acqua del mare (5,719, dal fondo).
Non conosciamo quale fosse l'altezza del livello del suolo al tempo della costruzione dell'edificio; comunque si può ritenere che, dopo un primo lungo periodo di graduale abbassamento fra il secolo XIII ed il secolo XVI, nel quale l'acqua del mare raggiunse sul pavimento la notevole altezza di m. 5,719, si ebbe dalla metà del secolo XVI fino al principio del secolo XIX, un fenomeno di lenta emersione, tanto che alla fine di questo periodo il monumento potè essere accuratamente studiato e rilevato.

Gli scavi vi ebbero inizio nel 1750 con la scoperta di varie opere d'arte e fra esse di una statua di Serapis, da cui prese il nome il monumento; dal 1809 al 1816 si scavò il lato settentrionale dell'edificio, la cella centrale e gli ambienti laterali, e si misero meglio in luce la rotonda al centro del portico e molti elementi architettonici e decorativi.

La pianta ricorda quella dei fòndachi o dei bazàr dei mercati orientali. Una lunga serie di botteghe, aperte alternativamente o verso il portico interno o verso l'ambulacro esterno, sono disposte lungo i lati lunghi del cortile centrale; altre tabernae più spaziose trovansi dal lato meridionale, dove si apre anche l'ingresso principale fiancheggiato da colonne. Di contro all'ingresso si ha la grande cella absidata, con una nicchia rettangolare al fondo e due minori nicchie ai lati, preceduta sulla linea del portico da quattro grandi ed alte colonne di cipollino (altezza del fusto m. 11,78), delle quali tre ancora in piedi ed una rovesciata sul terreno, e da altre due colonne sull'allineamento del vano d'ingresso; il pavimento in marmi colorati, le chiusure a transenne di marmo che sbarcano i due intercolunni laterali, la presenza infine della statua di Serapis, alla quale dovevano essere associate quelle di Iside-Fortuna, del Genius macelli e dei membri della famiglia imperiale, facevano di questa grandiosa abside, coperta di semicupola, un vero grande santuario sacro al culto delle divinità protettrici delle fortune e dei commerci della città.