Lutèce se partageait alors en deux ensembles urbains, l’un dans la Cité, l’autre sur la rive gauche de la Seine et la montagne Sainte-Geneviève. C’est là que se regroupèrent villas et monuments grandioses : le Forum sous la rue Soufflot, les Arènes rue Monge, les Thermes du Sud rue Gay-Lussac, les Thermes de l’Est sous le Collège de France, et les Thermes du Nord, dits de Cluny.
Leur état de conservation est exceptionnel. Il faut pourtant retenir que les actuels vestiges ne représentent même pas le tiers de l’ensemble bâti.
Les thermes étaient formés de différents espaces, destinés au public ou aux services, et de souterrains. Le frigidarium (salle froide) est englobé par le musée avec sa voûte de 15m de haut. Un caldarium à l’ouest borde le boulevard Saint-Michel et un autre, au sud, est à l’angle du boulevard Saint-Michel et de la rue du Sommerard, tous deux en partie ruinées depuis le XVIIIe siècle.
Le frigidarium conserve des traces de mosaïques, marbre ou peinture. Le fragment de mosaïque exposé, « un Amour chevauchant un dauphin  », pourrait en constituer le dernier vestige.