L’edifici termal romà de Sant Grau va ser construït pels volts de l’any 50 dC sobre un balneari anterior, dels segles II-I aC. L’edifici del segle I dC, en canvi, es conserva d’una manera notablement íntegra. L’element bàsic era la gran piscina central (natatio) rectangular, de 7,90 per 6,65 metres, i d’accés esglaonat. Envoltava la piscina un corredor porticat (ambulacre), amb coberta de volta de canó, del qual es conserven el paviment d’opus signinum (morter hidràulic), les bases dels pilars que el sostenien i, al sud, restes de la coberta.

Als costats est i oest hi havia tres estances simètriques, més gran la central que les dues laterals. De l’ala est cal remarcar l’estança central, on hi havia la surgència de l’aigua termal, que era canalitzada des del doll dels Bullidors,  i que constituí un espai sacre. Des d’aquí l’aigua es canalitzava a la natatio. De l’ala oest, l’aigua sortia a l’exterior a través d’una gran claveguera.

Cap a l’any 200 dC, el balneari va patir un procés de reformes. S’enderrocà l’ala oest, es construí un gran dipòsit absidal a l’extrem sud-oest, es repavimentà la natatio amb un sòl d’opus signinum, les dues estances laterals de l’ala est foren convertides en petites piscines i a l’estança central d’aquesta mateixa ala es va anul·lar l’altar i s’hi va adequar un petit dipòsit.