L'ensemble était organisé autour d'un portique en U, aux ailes faisant retour au nord en direction du Mont Cavalier, que domine encore la tour Magne. Ce portique enfermant un espace sacré (temenos) assurait la liaison entre un théâtre localisé au nord-est et une grande salle voûtée dite Temple de Diane à l'ouest. La partie centrale est occupée au nord par le Bassin de la Source, où ressurgissent les eaux souterraines, canalisées au centre vers un nymphée (grotte abritant la source) bordé de portiques. Une plate-forme centrale, à laquelle on accédait par deux ponts amovibles, avait sa partie haute décorée d'une frise continue de rinceaux et ses angles marqués par des colonnes corinthiennes. Du fait de ces colonnes, cette plate-forme est qualifiée de stylobate. Au centre du stylobate s'élevait sans doute un autel dédié à Rome et Auguste : il n'en subsiste que la trace d'un massif de maçonnerie.

Du théâtre, dégagé au XVIIIe siècle, mais re-comblé peu après, il ne reste que l'évocation suggérée par un mouvement de terrain sous la pelouse. Partie intégrante de l'Augusteum, ce théâtre était réservé à des spectacles dionysiaques et des jeux scéniques de type grec donnés en l'honneur des empereurs régnants. La confrérie thymélique des artistes dionysiaques de Nîmes se réunissait à des dates régulières, dans le cadre de synodes par exemple.

Faisant retour sur l'aile avant du portique, le pseudo temple de Diane appartient pour l'essentiel à la première phase de construction augustéenne. Une vaste salle centrale, encadrée de deux couloirs latéraux, a conservé une partie de son volume constitué d'arcs en grand appareil de largeurs imposantes, certains en saillie, donnant ainsi l'illusion de doubleaux. Les murs latéraux, intégralement conservés au nord, étaient ornés de colonnes composites plaquées sur les murs, avec douze niches réparties dans les parois couronnées de frontons alternativement triangulaires ou cintrés. Le mur du fond est percé de trois baies. Celle du milieu a perdu son plafond sculpté (les restes sont déposés au sol) et son grand fronton, seulement connu par des gravures anciennes. Les baies latérales assuraient la communication avec des couloirs dont les sols en pan incliné permettaient d'accéder à l'étage supérieur (aujourd'hui arasé). Les chapiteaux, l'ordonnancement du décor intérieur, les caissons plats des plafonds, les proportions générales correspondent aux normes architecturales de la période augustéenne. En revanche, la façade à l'est avec ses trois arcades formant l'entrée, a été très remaniée au IIe siècle, sans doute à l'époque d'Hadrien, lorsque l'Augusteum a été réhabilité. On épilogue toujours sur la destination de ce monument : s'il faut écarter l'hypothèse d'un temple en l'honneur de Diane, on ne peut refuser celle d'une salle réservée à des célébrations liées au culte de l'empereur, ou bien celle d'une bibliothèque.

Dans les vestiges de pilettes de pierre au-dessus du bassin de réception des eaux qui borde le portique au sud, certains ont vu les traces d'un temple, d'autres celles de thermes. Il faut plus vraisemblablement les identifier avec des vestiges de propylées, entrée monumentale édifiée à l'époque d'Hadrien, qui donnait accès depuis la ville à l'aire sacrée de l'Augusteum. En revanche, la plate-forme de maçonnerie adossée au bassin de la Source (partie actuellement gazonnée) correspond sans doute, étant donné la proximité immédiate de la source, à la base d'un groupe statuaire ou à l'emplacement d'un autel dédié au dieu Nemausus.