A partire dalla conquista romana dell’isola, avvenuta nel 238 avanti Cristo, inizia un processo di profondo cambiamento che ebbe compimento solo in età romano-imperiale.

All’età repubblicana viene attribuita la risistemazione delle fortificazioni di Su Murru Mannu. Alle preesistenti strutture in grandi blocchi di arenaria viene aggiunto un rifascio in grossi massi in basalto e l’innalzamento di un muro di controscarpa va a delimitare un largo e profondo fossato. Per quanto riguarda gli edifici di culto, va segnalato il cosiddetto “tempietto K”, attribuito al secondo secolo avanti Cristo che, pur rifacendosi a schemi architettonici tipicamente italici, conserva alcuni elementi di tradizione punica. Il reimpiego nel complesso monumentale romano di due blocchi che recano incise alcune lettere semitiche ha fatto ipotizzare l’esistenza di un preesistente tempio, definito per tale ragione “tempio delle iscrizioni puniche”.

Nella successiva età imperiale la città si trasforma notevolmente. Viene effettuata una imponente risistemazione urbanistica che prevede l’organizzazione secondo schemi ortogonali del quartiere di Su Murru Mannu. Attorno al secondo secolo dopo Cristo le strade vengono dotate di una pavimentazione in basalto e viene realizzato un sistema fognario molto articolato per lo smaltimento delle acque bianche. Vengono edificati numerosi edifici pubblici monumentali, tra cui tre impianti termali, ubicati nella parte centrale della città, a poca distanza l’uno dall’altro. Tali edifici, realizzati in laterizi, erano dotati di spogliatoi, ambienti riscaldati artificialmente e altri in cui potevano farsi dei bagni freddi, in vari casi decorati con mosaici policromi. Ancora all’età imperiale deve attribuirsi l’acquedotto, i cui resti sono in parte visibili lungo la strada moderna che conduce agli scavi. A questo viene connesso il cosiddetto castellum aquae, un grande edificio posto al centro della città, all’incrocio tra le due principali arterie stradali. La struttura, di pianta quasi quadrata, con all’interno otto pilastri delimitanti tre navate, pareti prive di aperture verso l’esterno e con tracce di malte idrauliche, viene generalmente interpretata come deposito dell’acqua portata a Tharros dall’acquedotto; davanti a essa sono stati riconosciuti i resti di una fontana monumentale.

Le aree funerarie appaiono più estese rispetto al periodo precedente: tombe romane a inumazione e a incinerazione compaiono lungo l’intera fascia costiera tra il Capo San Marco e il villaggio di San Giovanni, all’interno del fossato di Su Murru Mannu, ormai in disuso per la raggiunta pax romana, e nell’area compresa tra la chiesa di San Giovanni e la costa. Tra i numerosi tipi tombali documentati, si segnalano deposizioni in semplici fosse, sarcofagi monolitici, tombe alla cappuccina (fosse foderate con tegoloni contrapposti), inumazioni entro anforoni commerciali (enchytrismoi), tombe a cupa (con segnacolo esterno semicilindrico), incinerazioni in urna fittile o in piombo.

In età paleocristiana e altomedievale le principali strutture pubbliche romane subiscono delle modifiche. In particolare le terme vengono annesse a un complesso cultuale cristiano, comprendente alcuni vani costruiti a nord, un battistero esagonale con baldacchino e un edificio chiesastico da alcuni ritenuto la ecclesia Sancti Marci delle fonti; anche le terme cambiano d’uso, come fa ipotizzare la presenza di sepolture di età bizantina.
Il continuo spoglio delle strutture antiche, perpetrato per secoli, ha notevolmente pregiudicato la ricostruzione di questa fase tarda della storia del centro. Sappiamo di una lenta decadenza, dovuta anche alle incursioni dei saraceni, e di un progressivo spopolamento, 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, o meglio prendendo atto, della fine del centro antico.