Bugün Hierapolis Arkeoloji Müzesi’nin kurulu olduğu Büyük Hamam yapısı, kentin güney batısında, traverten kanallara açılan bir bölgede yer alır. M.S 60 yılında Nero döneminde yaşanan büyük depremden sonra, kentteki inşaat faaliyetleri sırasında önemli bir su kaynağından yararlanmak üzere, M.S II. yüzyılda yapılmıştır. Kaynaktan çıkan sular vadiye akmadan önce hala bu hamamın yıkıntıları üzerinden geçmektedir. Hamam, bölgede bol miktarda bulunan traverteni çalışmakta usta olan, yerel işçilerin bir taş yapıtıdır. Akan suyun kalker oluşturma gücü nedeniyle, bugün orijinal tabani 4 metre kalker altında kalmış olan yapı, iki mekanda korunmuş, diğerlerinde ise onarım yapılmıştır. Bugün müze olarak kullanılan mekanlar antik çağda hypokaust sistemi ile ısıtılmaktaydı.
Türkiye Kültür Bakanlığı, Anıtlar ve Müzeler Genel Müdürlüğü tarafindan, mekanların orijinal tabanını bulmak üzere kazı ve onarım çalışmaları yürütülmektedir. Ortaçağda Roma Dönemi mekanları değiştirilmiş, duvarlarla bölünmüş ve yola kadar yayılmıştır. M.S X. yüzyıldan XIII. yüzyıla kadar olan evrede, yerleşim merkezi ve etkisi antik çağdakini aşmıştır. Bizans ve Selçuklu dönemlerine ait kazılar sırasında bulunan, bir çoğu ithal sırlı kapılar, Hamamı kullananların bu dönemdeki zenginliğine dikkat çeker. 18. yüzyılın sonunda, Choisy tarafindan belirtilmiş olan, biri kaburgalı beşik tonoz çatı ile örtülü sütunlar izlenebilmektedir. T salonunda yapılan yeni kazılarla batı tarafta korniş ile sınırlandırılmış üç büyük pencereli, apsisli, orijinal bir mekanı gün ışığına çıkartmıştır.
En büyük mekan D, 20×32 metre ölçülerindedir ve uzun kenarında üç adet, biri dörtgen diğerleri yarım daire planlı exedralar yer almaktadır. Exedralar, bezemeli stukolar ile süslü kemerlerle örtülüdür. Bezemelerde ortada deniz kabuğu, kenarlarda volüt, yaprak ve çiçek motifleri tanınabilmektedir. Duvarlar, yüzeylerinde görülen metal kenet deliklerinden de anlaşılacağı gibi çok renkli mermer levhalar ile kaplı olmalıydı. Girişte bulunan iki ayak üzerinde bir kapı ve yapının çatısına çıkan merdivenlerin yer aldığı bir boşluk görülür. Bu bölümün doğusundaki büyük alan palestraya ayrılmıştır. Palestraya açılan dörtgen büyük mekanlar, yerel, beyaz ve pembe lekeli bresten yapılmış, sütunlu cephelere sahiptirler.