Les bibliothèques des thermes de Caracalla se trouvent sous le quadriportique qui entourait l’édifice thermal proprement dit.
Connus dans un premier temps sous le nom de Thermae Antoninianae, les Thermes de Caracalla ont été édifiés au cours de la première moitié du IIIe siècle ap. J.-C. La construction de ces thermes s’est faite en deux étapes successives : l’édification de l’élément central sous le règne de Caracalla, puis celle de la structure périmétrale qui délimite le complexe tout entier, sous les règnes d’Élagabal et d’Alexandre Sévère. La bibliothèque est constituée de deux salles situées chacune aux extrémités de la face sud-ouest de la structure périmétrale. Les deux salles sont structurellement identiques.
De forme rectangulaire, la surface intérieure de chacune de ces deux salles est d’environ 856 m² (soit 38,70 m x 22,10 m). Il faudrait cependant y ajouter l’aire de l’abside semi-circulaire présente sur le mur du fond, à savoir 31 m², pour un espace intérieur total d’environ 887 m². En sus de cette superficie au sol, des escaliers permettaient d’accéder à un étage supérieur qui prenait la forme d’une galerie large de 1,60 m longeant les murs latéraux et en partie celui du fond. La présence d’un étage implique que la pièce ait été suffisamment haute, ce qui n’est guère surprenant étant donné les dimensions de ces thermes.
L’entrée de cette bibliothèque, conformément aux conditions énoncées par Vitruve, s’ouvre vers le Nord-Est, c’est-à-dire sur le portique qui entoure l’espace consacré aux jardins. L’ouverture, longue de 27,02 m, est composée de six colonnes réparties à intervalles réguliers. La colonnade d’entrée permet de marquer la transition entre le quadriportique et la bibliothèque proprement dite. Les deux murs Nord-Ouest et Sud-Est de la pièce comportent dix niches murales réparties sur deux niveaux. L’abside située au centre du mur du fond le divise en deux parties égales, comportant chacune trois niches murales par étage. Il y a donc au total trente-deux niches murales réparties sur trois des murs de la pièce et sur deux étages. Les niches mesurent 4,10 m de hauteur, 1,80 m de largeur et 0,75 m de profondeur, soit presque deux fois la taille moyenne des uolumina. Une telle profondeur permet d’une part l’installation de portes afin de protéger les ouvrages contenus et d’autre part une meilleure circulation de l’air et donc une meilleure protection contre l’humidité, la moisissure et autres champignons nuisibles aux livres. Pour atteindre ces niches, il existe un podium surélevé par rapport au niveau du sol de la pièce. On accède à cette estrade au moyen de petits escaliers composés de trois marches et séparés par des murets dont l’extrémité sert de base aux colonnes la galerie du second niveau. Les fouilles ont mis à jour un pavage au sol en opus sectile de marbre, reposant sur une dalle de granite. Les côtés sont occupés par un motif décoratif composé d’éléments géométriques de type disques et carrés. Le tout est délimité par une bande de dalles rectangulaires.