Les murs conservés se caractérisent par leur qualité d’exécution, alternance de moellons de calcaire et d’assises de briques horizontales, selon la technique de l’opus vittatum mixtum. Dans le frigidarium, l’espace le plus spectaculaire de nos jours, le visiteur peut découvrir ces parements mais aussi une partie du sol d’origine et la voûte d’arêtes, qui culmine à près de 14 mètres de hauteur et possède encore en partie ses enduits originaux. Le décor est perdu aujourd’hui, à l’exception des consoles du frigidarium, aux reliefs figurant des navires. La mosaïque ornée d’un Amour chevauchant un dauphin découverte à proximité de l’hôtel de Cluny constitue peut-être un élément ornemental de cette salle. De tels indices suggèrent un décor évoquant le thème aquatique, sur un modèle en vogue dans le monde romain, par exemple à Pompéi.
Associés au plaisir et à la citoyenneté romaine, les thermes étaient richement ornés. Si les thermes sont aujourd’hui un « écorché » selon l’expression archéologique, pendant l’Antiquité, les murs, le sol ou bien les piscines étaient parés de placages de marbre ou de pierres colorés (dont un vestige subsiste dans la niche ouest du frigidarium), de mosaïques, de stuc ou d’enduit peints.
Seules deux pièces, situées dans les sous-sols des thermes présentent encore de rares vestiges d’enduits peints (salle dite des enduits et salle en sous-sol du pseudo-tepidarium). Situés dans des espaces de service, ils ne présentent qu’un décor de deux filets noirs se détachant sur fond rouge.
Ce décor très simple, adapté à une salle technique laisse imaginer le faste des enduits peints, aujourd’hui disparus, qui ornaient les salles fréquentées par les baigneurs.
Dans le frigidarium, les restaurations menées en 2009 ont permis de restituer aux murs la teinte rosée originelle des enduits, tout en mettant en évidence des traces infimes de pigment, d’un bleu intense, cohérent avec l’ambiance aquatique que l’on sait avoir été souvent recherchée dans les thermes antiques par des évocations en image de l’eau.
L’enduit est appliqué en plusieurs couches successives. Composée de deux tiers de chaux pour un tiers de sable, la première couche, l’arricio, est assez rugueuse pour recevoir la deuxième, aux proportions inversées, l’intonaco. Le dessin préparatoire, qu’on appelle sinopia, est appliqué sur l’arricio.
La peinture, composée de pigments d’origine minérale est apposée sur l’intonaco. L’ensemble est réalisé progressivement, en fonction de ce que l’artiste sait pouvoir peindre dans la journée afin que l’enduit ne sèche pas, selon la technique de la fresque (a fresco).
Aujourd’hui ne subsistent que très peu des ornements décoratifs de ce monument. Le visiteur peut cependant découvrir in situ deux consoles sculptées sur le mur nord du frigidarium. Une mosaïque figurant Eros chevauchant un dauphin pourrait également témoigner des décors muraux du complexe thermal.
