Fino al 1937, anno della casuale scoperta durante i lavori per la costruzione di un nuovo edificio, la posizione precisa della palestra era ignota e se ne conosceva solo la planimetria disegnata in un frammento della Pianta marmorea di età severiana (193-211). Grazie alla corrispondenza tra i resti messi in luce e il disegno severiano, le strutture vennero immediatamente identificate con quelle dello scomparso Ludus Magnus.

I risultati degli scavi, iniziati nel 1937 e completati tra il 1957 e il 1960, insieme ai dati della Pianta marmorea permettono di ricostruire l’aspetto del monumento del quale oggi si conserva la sola metà settentrionale, mentre l’altra metà è nascosta sotto gli edifici dell’isolato compreso tra le vie di s. Giovanni in Laterano e dei ss. Quattro Coronati.

L’edificio, a pianta rettangolare, aveva un cortile porticato con colonne in travertino e fontanelle triangolari all’intersezione dei bracci del portico. L’unico accesso oggi noto, sul lato nord (via Labicana), era probabilmente dedicato, forse in via esclusiva, all’imperatore e alla sua corte. L’ingresso principale doveva essere sul lato verso il Colosseo, ma oggi non se ne conserva più traccia.

Al centro del cortile una piccola arena a pianta ellissoidale era destinata agli allenamenti dei gladiatori ed era dotata di una cavea, la cui parete inferiore era rivestita di lastre di marmo, e che poteva accogliere fino a 3000 spettatori. In corrispondenza degli assi minori della cavea erano i palchi per le autorità. Alla cavea e all’arena si accedeva attraverso scale ancora parzialmente conservate.

Sui quattro lati del portico si aprivano una serie di ambienti omogenei per struttura e dimensioni e non comunicanti tra di loro. Queste stanze sono interpretate come alloggi dei gladiatori, ma il ritrovamento di pavimenti marmorei in almeno due degli ambienti, suggerisce una maggiore cautela: le stanze da letto, spoglie e non particolarmente confortevoli, si trovavano forse al primo piano ora scomparso. Al piano terra dovevano invece trovarsi i servizi comuni e gli ambienti di rappresentanza, cui potrebbero essere riferite le stanze decorate di marmi, destinati al procurator Ludi Magni e ai suoi collaboratori.

Non è noto quando il Ludus Magnus sia caduto in rovina. Di certo con la fine dei giochi gladiatori nel VI secolo la struttura fu abbandonata e forse parzialmente usata per altri scopi. Le strutture, spogliate dei materiali di pregio, dovettero precocemente crollare e scomparire dal panorama cittadino fino al fortunato ritrovamento del 1937.