L'ancienne Varna, d'abord lieu d'habitation thrace puis colonie grecque, devint romaine en 15 après JC ce qui, selon l’usage, entraîna la construction de thermes à 100 m de la mer Noire et du port.
Les thermes furent construits vers la fin du 2e siècle et utilisés jusqu'à la fin du 3e siècle. Ils étaient parmi les quatre plus grands dans l'empire romain : le site s’étendait sur plus de 7000 m² avec des murs atteignant par endroits 20 m de hauteur.
Les ruines ont été scientifiquement reconnues comme site ancien en 1906 par le chercheur austro-hongrois Ernst Kalinka, puis explorées par les frères archéologues tchéco-bulgares Karel et Hermann Škorpil, considérés commes les fondateurs de l'archéologie bulgare. Karel a d'ailleurs créé le musée archéologique de Varna.
D'autres parties des ruines ont été découvertes entre 1959 et 1971 par une équipe dirigée par M.Mirchev.
Le concept du bain reposait non pas sur la seule immersion dans l’eau mais sur l’exposition du corps à différentes températures. Selon la médecine romaine, le chaud dilate les pores de la peau et permet l’évacuation des « humeurs » tandis que le froid les resserre, rétablissant ainsi leur fonction protectrice.
L'usage des thermes étaient profondément ancré dans la culture romaine, au point qu'on a pu lire sur une pierre tombale : "Les bains, le vin, l'amour ruinent notre corps (mais) les bains, le vin, l'amour sont la vie".
Les entrées principales des bains se trouvaient à l'extrémité est et ouest de la façade nord.
Par trois marches, les visiteurs entraient dans les vestibules est et ouest. Ils se déshabillaient dans deux apoditeria (vestiaires) où ils passaient une partie de leur temps à discuter avant ou après le parcours thermal.
L'édifice était construit en pierres et briques d'argile, ses murs intérieurs étaient habillés de marbre.
Le chauffage provenait d'un hypocauste, un système par lequel une chaufferie (praefurnium) reliée au double plancher et aux cavités spéciales qui amenaient l'air chaud jusqu'à la structure du toit de la baignoire.
Il y avait divers locaux dans les bains proprement dits (basilica thermarium) Après avoir effectué quelques exercices physiques dans la palaestra (gymnase non couvert) qu’il rejoignait par un couloir, le baigneur traversait le frigidarium (salle froide) pour gagner les pièces plus chaudes du complexe.
S’ensuivait alors le parcours thermal classique : tepidarium (salle tiède), destrictarium (salle tiède) dans lequel le baigneur nettoyait son corps en raclant sa peau à l’aide d’un strigile, laconicum (salle à chaleur sèche) et enfin le caldarium (salle chaude) dans lequel se trouvaient trois bassins chauds.
Après être retourné dans le tepidarium, le baigneur regagnait alors le frigidarium et sa piscine froide encore conservée où il terminait son parcours thermal.
L’ensemble était complété de latrines, de salles pour se rencontrer ou pour jouer aux dés, et de commerces comme les vendeurs de produits d’hygiène ou d’exercice, et les taverniers offrant de quoi boire et manger.
Les fouilles ont permis de découvrir une statue de Claudius Aquila, ainsi que des statues des dieux romains Héraclès, Victoria et Mercure, qui embellissaient probablement les salles. Comme en témoignent les inscriptions retrouvées, les dieux protégeant la santé d'Asclépios et d'Hygie disposaient d'un sanctuaire au nord-ouest des thermes.
Très coûteux à maintenir, le site fut peu à peu délaissé et, bien plus tard, au 14e siècle, les ruines des thermes servaient d'atelier pour des artisans.
Jusqu'en 1958 des maisons de ville s'érigeaient même sur ses ruines. Les fouilles entreprises alors ont permis de retrouver quelques statues romaines décoratives, des peignes, des objets de toilette ainsi que les toilettes romaines les mieux conservées en Bulgarie.
En 2013, la municipalité de Varna a ordonné un plan d’urgence pour la préservation du site très dégradé.