I resti conservati permettono di ricostruire una corona semicircolare, di circa m 78 di diametro e m 7,50 di larghezza, suddivisa in trenta vani con pareti convergenti verso l'interno (cunei), coperti a volta e disposti su due livelli. All'esterno, l'edificio doveva quindi presentarsi con due ordini di arcate aperte: il livello inferiore, decisamente più alto, forniva una serie di ambienti utilizzabili come ingressi (vomitoria) o vani di servizio; il livello superiore, con parte della volta progressivamente inclinata verso l'interno, serviva da sostegno per la parte più alta della cavea, le gradinate su cui sedevano gli spettatori. L'edificio della scena, certamente la parte più impegnativa e rilevante del monumento, si addossava alle mura della città, e, con esse, è andato completamente perduto.
Dei due vani visibili presso la chiesa di S. Agostino, quello meridionale conserva ancora la volta originaria, con ghiera in laterizi e tracce evidenti della centina di tavole; al di sopra si conservano parte dei muri del secondo ordine e, inglobata nella parete meridionale del campanile, una porzione della volta di una bassa galleria anulare (crypta) che doveva coronare la parte superiore della cavea. Il primo vano, invece, sul quale insiste il campanile, divideva la cavea dall'edificio della scena, era destinato all'ingresso di personaggi eminenti (aditus maximus) ed era decisamente più basso rispetto agli altri cunei: tracce della volta originaria, completamente demolita, sono infatti visibili sulla parete nord, poco sopra il piano attuale; su di essa poteva forse essere collocato un tribunal, sorta di palchetto riservato per gli spettatori di riguardo. La cavea semicircolare doveva avere un sistema di strutture di sostegno anche verso l'interno, dove, al momento, non sembra che se ne conservi alcuna traccia; è possibile quindi, come è stato recentemente ipotizzato, che il teatro di Lucca avesse in muratura solo l'anello esterno, largamente riutilizzato negli edifici posteriori, mentre all'interno era forse completato da impalcature lignee. La tecnica edilizia, in conglomerato cementizio con paramento di piccoli conci regolari di calcare bianco, intervallati da rari filari di laterizi, trova riscontro in altri edifici, pubblici e privati, della città, databili in età augustea. In alcune zone del paramento murario del teatro, sono inseriti anche grandi blocchi di calcare cavernoso, materiale tipico dell'edilizia pubblica tardorepubblicana (Lucca-mura romane), che scompare completamente in età imperiale.