Wie die etwas größere Anlage der Barbarathermen sollten auch die Kaiserthermen, die ebenfalls zu den größten des römischen Imperiums zählen, vornehmlich der Entspannung, wie auch der sportlichen Ertüchtigung dienen. Die Thermen wurden Ende des dritten Jahrhunderts geplant und in Auftrag gegeben. Neben zahlreichen Sportanlagen wurden in dem Bad unterschiedlich temperierbare Becken angelegt. Da die Anlage aber jüngeren Ursprungs ist, konnte sie nie in Betrieb genommen werden. Kaiser Konstantin wandte seinen Fokus eher dem Mittelmeerraum zu und verlegte außerdem seine Residenz nach Konstantinopel. Offenbar war der Rohbau jedoch noch fertig gestellt worden, wofür auch die Verzierung der Innenwände mit buntem Putz spricht.

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Nachfolgende Kaiser benutzten den leerstehenden Bau fortan als Kaserne. Sie bot wahrscheinlich 800 bis 1000 Mann der kaiserlichen Leibgarde und deren Pferden Platz. Nach dem Abzug der römischen Verwaltung am Anfang des 5. Jahrhunderts wurden die Kaiserthermen bzw. die Kaserne für die kaiserliche Leibgarde zunächst nicht mehr genutzt. Das Bauwerk wurde dem Verfall preisgegeben und im Mittelalter als Steinbruch ausgebeutet.

Im Mittelalter wurden die Überreste der Anlage als Wohnanlage im Schutz der Burg genutzt.

Der Entwurf des Neubaus stammt von Architekt Oswald M. Ungers aus Köln, der damit das dritte Großprojekt in Trier verwirklichen konnte Die Anlage dient vor allem der Verbesserung der Besucherinfrakstruktur und macht die Dimensionen des ursprünglichen römischen Gebäudekomplexes (250x145 Meter) wieder erlebbar. Die Landesregierung investierte 5,2 Millionen Euro in den Neubau und die Herrichtung der Palästra. Das Projekt sei ein herausragendes Beispiel für die Philosophie, das kulturelle Erbe nicht nur als totes Gestein zu bewahren, sondern ständig neu zu beleben.