El Teatro Romano de Cartagena presenta una cávea de 87,6 metros de diámetro, con capacidad para unos 7.000 espectadores, una dimensión notable aunque menor que la de otros grandes teatros de Hispania, como los de Córdoba (124,3 metros), Cádiz (120 metros), Zaragoza (107 metros) o Clunia Sulpicia (91 metros). La mayor parte del graderío fue excavada directamente en la roca, aprovechando la ladera norte del monte de la Concepción, respondiendo así al modelo clásico de teatro apoyado en pendiente. Las zonas inferior y central de la cávea se tallaron en la propia roca, mientras que los cuerpos laterales del edificio se sustentaban mediante galerías abovedadas.

Su diseño sigue fielmente el modelo arquitectónico descrito por Vitruvio. El frente escénico estaba decorado con una doble columnata formada por columnas de fuste en mármol rosa coronadas con capiteles de mármol blanco. Frente a la escena se encontraba la orchestra, un espacio semicircular reservado para las autoridades, mientras que la cávea acogía al resto de espectadores, distribuidos según su rango social. Delante del escenario se situaba el proscenio, y detrás de la escena se extendía un pórtico porticado que completaba el conjunto arquitectónico.

El teatro fue concebido con un programa decorativo de gran riqueza, propio de una ciudad de gran relevancia en época augustea. Muchas de sus esculturas y elementos ornamentales fueron elaborados en mármol griego en talleres imperiales de Roma, lo que refuerza la idea de su carácter monumental. Entre las piezas más destacadas, conservadas gracias a su reutilización como material constructivo en el mercado tardorromano del siglo V, se encuentran los capiteles corintios del frente escénico, una escultura de Apolo tocando la cítara, un bajorrelieve de Rea Silvia y, de manera especial, tres altares circulares dedicados a la tríada capitolina (Júpiter, Juno y Minerva) y al cortejo de Apolo, representado por las Gracias, las Musas y las Horas. Estas piezas, cargadas de simbolismo, reflejan la importancia religiosa y propagandística del edificio.