L'anfiteatro venne edificato all'esterno della cinta muraria, in prossimità della porta nord, per ovvi motivi pratici e funzionali: nella seconda metà del I secolo d.C., dopo circa tre secoli di vita della città, sarebbe stato assai difficile inserire un edificio di tale mole all'interno del tessuto urbano ormai consolidato; la posizione extraurbana facilitava inoltre l'afflusso del gran numero di spettatori, provenienti sia dalla città che dal territorio circostante.
L'edificio, di dimensioni massime m 107 X 79 circa, venne fondato su una poderosa massicciata cementizia, gettata su tutta l'area per consolidarne il terreno alluvionale di base. La costruzione è costituita da una corona ellittica composta da 55 vani, detti comunemente cunei. Tali ambienti, disposti su due livelli e con copertura a volta che si inclina progressivamente verso l'interno, servivano da sostegno della cavea, le gradinate che circondavano l'arena e sulle quali sedevano gli spettatori, accedendovi da scalinate interne. Aperti all'esterno, i cunei si presentavano in facciata con una sequenza di pilastri e archi, ampi m 3,80, articolati in due ordini: l'inferiore con archi alti m 6,60, il superiore, decisamente più basso, con archi alti m 4,85; l'altezza totale doveva superare i 13 metri. Una bassa galleria in laterizi, documentata dagli scavi ottocenteschi, chiudeva i cunei all'interno, delimitando lo spazio dell'arena (m 67 X 39).
Le strutture murarie sono realizzate in conglomerato cementizio, con paramento in laterizi nei pilastri del livello inferiore e in tecnica mista, con blocchetti di calcare bianco alternati a fasce di laterizio, nei pilastri del secondo livello e nei muri dei cunei. Sempre in laterizi erano la cornice che separa i due ordini e le ghiere degli archi, impostati però su cornici in pietra modanate.
I vani dell'ordine inferiore, pavimentati con grandi lastre di pietra, erano utilizzabili come ingressi secondari o ambienti di servizio. Gli accessi principali erano almeno due, posti alle estremità dell'asse maggiore dell'ellisse. Dell'ingresso orientale, l'unico conservato e riaperto nella sistemazione del Nottolini, è visibile parte dei due pilastri laterali in grandi blocchi squadrati; sulle relative cornici si osservano al centro altre due cornici più piccole, ricavate a rilievo molto basso, cui dovevano corrispondere due lesene, appena abbozzate sui primi conci dei pilastri. E' evidente che questa decorazione, come la stessa rifinitura dei pilastri, non venne mai completata.
A sinistra dell'ingresso orientale si possono osservare differenti tecniche murarie utilizzate nel tempo per la chiusura dei fornici; in particolare, a ridosso dei pilastri del secondo ordine, sono visibili semplici murature in ciottoli fluviali, certamente più antiche delle altre tamponature in laterizi.
Nell'insieme, l'anfiteatro di Lucca ha caratteristiche architettoniche di estrema semplicità e funzionalità; è privo di un corridoio anulare esterno e anche l'apparato decorativo della facciata è ridotto alle semplici cornici in pietra.
Questi elementi, come l'incompletezza delle rifiniture e l'intervento risolutivo di un facoltoso cittadino, evidenziano le difficoltà finanziarie della città nel portare a termine la costruzione, certamente impegnativa, dell'edificio. Già dal secolo successivo, infatti, i segni di crisi economica sono evidenti nel degrado del tessuto urbano.