Il battistero ha struttura a pianta ottogonale, con lati lunghi 7,40 m scanditi da lesene agli spigoli. Internamente vi sono quattro nicchie semicircolari alternate a quattro rettangolari. Nelle nicchie rettangolari si aprivano delle porte rivolte ai quattro punti cardinali. La copertura doveva essere probabilmente a volta con decorazione musiva. Davanti ai contrafforti tra le nicchie si ergevano colonne di porfido sostenenti una trabeazione marmorea. Le recenti indagini hanno permesso di evidenziare le fasi costruttive dell'ottagono. Scarse le tracce del primo pavimento: si conservano lacerti della sua preparazione o resti derivati dalla sua asportazione e alcuni lacerti in corrispondenza delle soglie di ingresso delle nicchie rettangolari orientale e meridionale. Sebbene manchino dati sulla struttura originaria della vasca, quella attualmente visibile è da riferire al V-VI sec. d.C., è ipotizzabile che una piscina fosse presente, nella stessa posizione, già in questa prima fase dell'ottagono. Le analisi degli elevati, le analisi archeometriche e lo studio dei materiali permettono di datare il cantiere del battistero agli anni centrali dell'episcopato di Ambrogio. Tra la fine del V e l’inizio del VI sec. d.C. si attua una ristrutturazione del battistero con successiva realizzazione del rivestimento parietale e pavimentale. Non sembra invece che sia stata attuata alcuna modifica ai muri perimetrali. La struttura della vasca battesimale e il sistema idraulico di canalizzazione risultano realizzati con una fondazione unitaria. La piscina ottagonale è dotata di due scalini, assenti sul lato orientale, ha struttura in mattoni e rivestimento marmoreo. Su tutta l'area dell'ottagono vi è un piano in cocciopesto su vespaio, sottofondo pavimentale finalizzato alla stesura del pavimento in opus sectile, con piastrelle bianche e nere. Il pavimento era raccordato alle pareti da uno zoccolo in marmo bianco; le parti basse delle pareti erano decorate da pregiati pannelli intarsiati con marmi d’importazione e pietre locali, mentre la parte alta e la volta erano decorate con mosaici policromi in pasta vitrea. La realizzazione dei preziosi rivestimenti è attribuita a Lorenzo, vescovo di Milano tra il 489 e il 510/512 d.C., che, secondo la testimonianza del suo segretario personale, Ennodio, finanziò il costoso restauro. Tra il VII-XIV sec. d.C. viene risistemato l'opus sectile, l'apparato decorativo e una serie di rattoppi documenta rifacimenti di porzioni dell'alzato. Inoltre si segnala la presenza di una sepoltura di epoca altomedievale nella nicchia orientale, unica finora conosciuta all'interno dell'edificio. La presenza della tomba è da mettere in relazione all'incremento dell'uso funerario dell'area in epoca carolingia. All’interno della canaletta perimetrale del battistero sono state rinvenute 222 monete, databili tra la metà del IV e la metà del VII sec. d.C., offerte dai battezzandi e inserite nel condotto idraulico attraverso le quattro bocchette localizzate sui lati. Nella nicchia nordorientale si conservano due strati di affreschi che sostituirono gli originali rivestimenti marmorei. Il primo, della metà del XIII sec., rappresenta due personaggi maschili, glabri, con vesti lunghe e mantelli foderati di ermellino. Il secondo strato, di poco posteriore e relativo ad un nuovo rinnovamento decorativo (fine XIII sec.), raffigura un personaggio non identificabile, a dimensioni superiori del vero, di cui restano solo i grandi piedi nudi. Accanto un quadrupede in posizione araldica, in cui si è riconosciuta la “scrofa semilanuta”, protagonista del mito di fondazione di Milano richiamato da Ambrogio, nuovo fondatore della città cristiana. Un terzo strato pittorico più tardo, avanzato XIV sec., si conserva nella nicchia meridionale e costituisce a testimonianza più tarda di intervento decorativo prima della demolizione del battistero. E’ raffigurata una testa femminile di devota, probabilmente inginocchiata; un santo o un vescovo la protegge ponendole la mano sinistra sul capo