A partire dalla conquista romana dell’isola, avvenuta nel 238 a. C., inizia un processo di profondo cambiamento che raggiunge il suo apice in età romano-imperiale (II-III secolo d.C).

Nell’età repubblicana (III-II secolo a.C.) la città di Tharros vede il restauro delle mura e l’edificazione di nuovi templi. Le fortificazioni puniche in arenaria di Su Murru Mannu vengono risistemate con un imponente rifascio in blocchi di basalto e viene realizzato un muro di controscarpa per delimitare un largo fossato.
Tra gli edifici di culto si distingue il cosiddetto “tempietto K”, databile al II secolo a. C. La struttura conserva alcuni elementi di tradizione punica, come l’altare con cornice a gola egizia e due blocchi con iscrizioni dedicatorie in lingua semitica, che hanno fatto ipotizzare l’esistenza di un precedente tempio punico.

Nella successiva età imperiale (II-III secolo d.C.) la città viene riqualificata dal punto di vista urbanistico. Le trasformazioni comportano la pavimentazione delle strade in basalto, la costruzione di nuovi edifici pubblici monumentali, tra cui tre impianti termali e, sotto la sede stradale, viene realizzata una rete fognaria dove confluivano le acque reflue, sia degli edifici pubblici che privati. Le terme, ubicate nella parte centrale della città, a poca distanza l’una dall’altra, sono realizzate in laterizi, dotate di spogliatoi, ambienti riscaldati artificialmente e altri in cui potevano farsi dei bagni freddi, in alcuni casi i pavimenti erano decorati con mosaici policromi. In questo stesso periodo viene realizzato l’acquedotto, una delle più importanti infrastrutture urbane, i cui resti sono in parte visibili lungo la strada che conduce al sito. A questo è connesso il cosiddetto castellum aquae, un grande serbatoio di distribuzione e di conduzione delle acque per il funzionamento degli edifici termali. La struttura, di pianta quadrangolare, è posta al centro della città, tra le due arterie principali, ed è costituita da un vano di accumulo delle acque e da un vano di decantazione collegato a una fontana di cui resta, frontalmente, una base semicircolare.

Lo spazio che la Tharros romana dedica alla città dei morti è più esteso rispetto al periodo precedente. Si trovano sepolture lungo l’intera fascia costiera tra il Capo San Marco e la borgata marina di San Giovanni, nell’area compresa tra la chiesa di San Giovanni e la costa, e all’interno del fossato di Su Murru Mannu, ormai in disuso. Al suo interno si trovano sepolture datate tra il I e II secolo d.C. che corrispondono a due diversi tipi, le tombe “alla cappuccina”, coperte da tegole poste a spiovente, e le tombe “a cupa”, con elementi semicilindrici posti a chiusura delle fosse. È attestato sia il rituale dell’inumazione che dell’incinerazione in urne di diversi materiali.

In età paleocristiana e altomedievale, tra il V e il VII secolo d.C., le principali strutture pubbliche romane subiscono delle modifiche. Una delle terme viene trasformata in un complesso cultuale cristiano, in cui è visibile un battistero esagonale e i resti di una chiesa da alcuni ritenuta la ecclesia Sancti Marci delle fonti. L’altro edificio termale viene probabilmente riutilizzato come monastero, fatto che spiegherebbe la denominazione terme di “Convento Vecchio” con la quale viene individuato. Entrambi gli impianti termali ospitavano sepolture di età bizantina.

In questi stessi secoli Tharros va incontro a un lento declino e a un progressivo abbandono da parte della popolazione che si sposta nell’entroterra, verso le campagne del Sinis. Una delle probabili cause, anche se non la principale, è da attribuire alle incursioni dei Saraceni. Sebbene la sede episcopale sia rimasta ancora a lungo nella città, è solo nel 1071 che questa viene trasferita a Oristano, divenuta anche capitale giudicale, decretando così la fine del centro. Il continuo spoglio delle strutture antiche, perpetrato per secoli, ha notevolmente pregiudicato la ricostruzione di questa fase tarda della storia di Tharros.