Les bâtisseurs ont tiré parti du relief : un vallon naturel leur a épargné d’énormes masses de maçonnerie. Au nord et au sud, les gradins s’appuient sur la roche retaillée ; à l’ouest, un remblai porte une partie de l’édifice. Seul le côté oriental, tourné vers la Charente, repose sur des voûtes rayonnantes et déploie une façade à deux niveaux d’arcades. Ce mélange de structure pleine et de structure creuse est peu courant : le monument tient à la fois de Senlis ou de Tours, d’un côté, de Nîmes ou d’Arles, de l’autre.
Avec 126,40 m de long pour 101,60 m de large, l’amphithéâtre compte parmi les plus anciens édifices monumentaux de ce genre en Gaule. Les recherches récentes situent le début du chantier sous Tibère, avec une fin des travaux dans les années 40 sous Claude, époque que rappelle un fragment d’inscription retrouvé sur place. Il témoigne de l’ambition de Mediolanum Santonum, chef-lieu du peuple des Santons, qui voulait offrir à ses habitants les mêmes jeux que dans les grandes cités de l’Empire.
Les fouilles du début des années 2020 ont modifié le regard sur la fin du monument. L’arène a été profondément remaniée vers 275, avec un nouveau dispositif d’évacuation des eaux, puis a servi au moins jusqu’à la première moitié du IVe siècle. Son abandon n’interviendrait pas avant la toute fin du IVe siècle, et plus vraisemblablement au Ve. Voilà qui nuance l’idée d’un édifice démonté très tôt pour bâtir l’enceinte de la ville, et qui rend la visite d’autant plus parlante.