Il monumento denominato la "Rotonda" assume nei secoli diverse denominazioni, in ordine temporale si riassumono brevemente: Calidarium, chiesa della Madonna Koimesis o Analepsis, chiesa dei S.S. Quaranta Martiri, Ecclesiae Sancta Maria Rotunda, chiesa S.Maria di Bethlem, Pantheon, chiesa di S. Maria della Rotonda. Per il primo impianto dell’edificio si potrebbe avanzare una datazione al I secolo d. C. e legarlo al generale intervento di monumentalizzazione dell’area a nord del Teatro Antico. Dalle prime denominazioni o titolazioni, si nota che "ab origine" il monumento nasce come "calidarium" romano di età altoimperiale risalente a circa il I sec. d.C. che si sviluppava lungo l'asse nord-sud. Al di sotto dell'area cimiteriale che verrà descritta più avanti, vi erano gli ambienti relativi ad un edificio termale molto vasto, come di norma ad uso pubblico, che era preesistente quindi alla Rotonda e di cui sono stati rinvenuti sino al 2008 ben nove vani. Ad ovest del presbiterio si trova il muro occidentale del corridoio che è di epoca della prima età imperiale e con il paramento in blocchi parallelepipedi con file di laterizi di “sesquipedales” interposti, e tale tecnica costruttiva trova relazione diretta con i muri del vicino Teatro Antico. A questo muro è accostato un lacerto di pavimento in scaglie di marmo e la sua quota è 25 cm. più alta del primo gradino della scala che scende nella grande vasca posta al centro del presbiterio ed è uguale a quella del lacerto del mosaico policromo geometrico posto “in situ” davanti la porta medievale, che secondo il prof. Libertini è il pavimento della chiesa bizantina. I due pavimenti sono alla stessa quota [quello vicino al muro con i “sesquipedales” e quello davanti alla porta medievale], del pavimento esterno del muro perimetrale della Rotonda, peraltro in “opus tessellatum”. In riferimento alla vasca di età romana posta nell’area presbiteriale, essa ha le pareti intonacate con malta idraulica e il pavimento in “opus sectile” [antica tecnica artistica che utilizza marmi o paste vitree tagliati per realizzare mosaici, intarsi, prevalentemente con figure naturali, d’animali o umane]. Successivamente, di epoca non definibile cronologicamente, fu sovrapposta una nuova pavimentazione in lastre di reimpiego . Il vano A (8,00x5,50 metri) ha muri spessi 70 cm. costituiti in "opus coementicium" e con porta di comunicazione al centro della parete absidata, sotto la quale dovrebbe conservarsi un condotto poiché s'intravede l'immissione nella conduttura posta lungo la parete meridionale della Rotonda. Le pareti del vano B erano anche loro in "opus coementicium" ma di spessore minore; gli ipocausti erano stati dotati di "pilae", ancora presenti, realizzati con mattoni anulari su uno quadrato e collocati ad una distanza di circa m.0,70 l'una dall'altra. Sopra le "pilae" sarebbe stato collocato un pavimento in "tessellatum" geometrico policromo databile tra il II e III secolo d.C. Il vano C viene realizzato contestualmente al vano A con cui ha in comune il muro perimetrale meridionale, mentre quello orientale viene costruito in una vasca realizzata nell'ultima fase della funzione termale, in mezzo alla sala centrale, inserita più o meno nelle esedre laterali e poggiante sul piano "ellenistico-romano". Il vano D è posto ad oriente rispetto i vani E, F; possiede un pavimento in mattoni in terracotta del quale però a causa delle modificazioni dei secoli successivi non si conserva lo sviluppo planimetrico. Inoltre il vano D possiede una vasca centrale a pianta circolare di 2,5 m. di diametro collegata a sua volta da un "calidarium" a pianta ovale; il pavimento sospeso poggia su un doppio strato di mattoni al quale è sovrapposto uno strato di spessore di 15 cm. di cocciopesto e strato di malta su cui era collocato un pavimento in marmo; sono presenti i "tubuli" a sezione rettangolare incassati nelle pareti per la circolazione di aria calda. Il vano H (6,00x7,90 m.) è posto ad ovest del vano A; sono visibili il muro perimetrale orientale che ne è il divisore, e quello settentrionale in cui è posta una scala di collegamento, che collegava il vano H al vano I del quale resta parte del piano con un pezzo di pavimento in "opus tessellatum" messo in luce durante gli scavi effettuati negli anni '40 del secolo scorso. Il vano H è inteso come "calidarium" o una "sudatio" poiché sotto di esso si presume ci siano condotti per la circolazione di aria calda. Tutte le strutture interne ed esterne potrebbero interpretarsi funzionali allo stesso edificio termale e quelli interni posti ad una quota più alta, erano collegati all’esterno attraverso le scale, come i vani H e I. Tra il II e III sec. d.C. venne sovrapposto ad esso un edificio a pianta centrale che utilizzò gli elevati della prima età imperiale. Dopo l'espulsione dei Goti da parte dei bizantini diventa un luogo di culto dedicato alla Madonna assumendo varie titolazioni. Nell'età bizantina la chiesa della Rotonda sarebbe stata racchiusa dentro una struttura quadrata, e le pitture affrescate realizzate all'intradosso dell'apertura posta tra il corridoio occidentale e l'altare maggiore, e in una delle cappelle angolari meridionali; inoltre venne aggiunta la nicchia dell'altare maggiore, l'abside con il catino e sui due lati due ulteriori piccole absidi; venne così chiuso il passaggio ai corridoi laterali; infine, sempre in epoca bizantina, le due grandi esedre vennero trasformate in cappelle sul lato meridionale. L'impianto è centrale e voltato da una cupola con 10 contrafforti sostenuta da otto archi a tutto sesto disposti radialmente su spesse mura; lo spazio interno nel corso dei secoli, ha subìto diverse mutazioni di ordine funzionale, tra le quali, forse la più rilevante, il cambio di asse che si ebbe nel XIII secolo con l'apertura ad ovest che successivamente, nel 1569, venne deciso di riportare a sud riconfigurando l'odierna porta monumentale nell'ultimo quarto del XVI secolo. Il monumento e le sue aree adiacenti ospitarono una importante area cimiteriale dal IX secolo alla metà del XIX secolo, che ha restituito importanti rinvenimenti come monili e corredi funerari, testimonianze di ordine storico e antropologico. La Rotonda era chiusa in una struttura quadrata coronata perimetralmente da merlature; tale struttura fu demolita nella metà del XX secolo. La Rotonda, fino alla Seconda Guerra Mondiale si articolava in due ambienti tra loro comunicanti che avevano ingressi indipendenti, uno su via della Mecca e l'altra su via Rotonda; il secondo era di pertinenza della chiesa e l'altro non era comunicante con la sala centrale