Според открит строителен надпис върху фриз-архитрава от източния проскений, построяването на театъра е станало по времето на римския император Марк Улпий Траян (98 – 117).
Зрителните места на театъра са ориентирани на юг, към античния град в низината и планината Родопа. В план театърът е полукръг с външен диаметър 82 м. Откритото зрително пространство – кавея, включва 28 концентрични реда мраморни седалки. Те са разделени от пътека – диазома на два ранга. Във височина двата ранга са пресичани от тесни радиални стълби, които разделят кавеята на трапецовидни сектори – керкиди. Зрителните места обграждат сцената – орхестра, която е с форма на подкова и диаметър 26,64 м.
От южната страна на орхестрата е сценичната постройка – скене. Тя е триетажна сграда, която в източния и западния си край завършва с издадени към кавеята проскении, в които са поместени стълбите за етажите. Сценичната площадка (проскений) е висока 3,16 м. с фасада към орхестрата, декорирана йонийска колонада от мрамор, която е увенчана от триъгълни фронтони. Фасадата на скенето към зрителите се състои от два портика на два етажа – първият етаж е в римо-йонийски, а вторият – в римо-коринтски ордер. Фасадата е просечена от три симетрично разположени врати.
Входовете – пародоси – към орхестрата, отначало – открити, по-късно – засводени, свързват кавеята със сценичната постройка. Подземен проход със засводен коридор започва от центъра на орхестрата, преминава под сценичната постройка и излиза извън сградата. Втори засводен проход преминава под централния сектор на високия ранг и свързва кавеята на театъра с Трихълмието. Над него е изградена ложата за почетните лица.
По подобие на театрите по цялата Римска империя, така и на театъра във Филипопол почетните зрителски места са надписвани. Освен за представителите на градската управа, обозначения има за магистрати, приятели на императора и др. Откритите почетни надписи показват, че сградата е използвана и за седалище на тракийското провинциално събрание.
Вероятно част от зрелищата с борби с животни и гладиатори са се провеждали в театъра, тъй като съществуват специфични особености на конструкцията му. Открити са следи от обезопасителни съоръжения пред първия ред и трите стълбища, които пресичат подиума. Най-вероятно тези допълнения са направени във връзка с посещението на император Каракала във Филипопол през 214 г.
