Le terme centrali dell'antica Turris Libisonis sono conosciute come "palazzo di Re Barbaro", poiché identificate dalla tradizione popolare come residenza di Barbarus, governatore della Sardegna nel IV sec. d.C, che martirizzò Gavino, Proto e Gianuario, santi tuttora venerati a Porto Torres. In realtà le strutture sono pertinenti ad un complesso termale a carattere pubblico, datato tra la fine del III e gli inizi del IV secolo d. C.

Lo schema è quello delle grandi terme imperiali, con ambienti per i bagni caldi, freddi, vani di passaggio, stanze per la sauna, per massaggi e spogliatoi.

Le terme sono state edificate sopra un quartiere abitativo più antico. Attualmente sono visitabili entrambe le fasi: quella delle terme e quella più antica. Di questa rimane una domus privata patrizia datata tra il II-III secolo d.C., riccamente decorata con intonaci dipinti (attualmente in restauro) e mosaici policromi, geometrici e figurati. Il più prezioso di questi, che dà il nome alla domus, è il mosaico di Orfeo, ritratto mentre suona la lira, seduto su una roccia, circondato da animali.

Le terme Maetzke, anche queste impostate su un quartiere abitativo più antico, prendono il nome dall'archeologo Guglielmo Maetzke che le portò alla luce negli anni sessanta. Dell'edificio termale, pubblico, di dimensioni modeste e datato tra il III e il IV secolo d.C, rimangono però pochissime tracce. Sono stati scavati alcuni ambienti di una delle domus precedenti, dotata di un impianto termale privato, nella quale è stata ritrovata la maschera in marmo del satiro, oggi esposta all'Antiquarium.

La Domus dei mosaici, costruita sul pendio che si affaccia sul rio Mannu e sul mare, era un'abitazione privata, dotata probabilmente di piccole terme. Si conservano diversi ambienti, riccamente decorati con mosaici con soggetti marini, elementi architettonici e intonaci. Resta anche un vano pertinente al piano superiore della domus, raggiungibile per mezzo di una scala, perfettamente conservata.

Le terme Pallottino, che derivano il nome dall'archeologo Massimo Pallottino che le scavò negli anni quaranta, comprendono i consueti ambienti per i bagni caldi e freddi, impreziositi da mosaici policromi. Durante interventi di scavo recenti sono state messe in luce delle strutture legate all'approvvigionamento idrico. Anche questo impianto termale è stato costruito tra il III e il IV secolo d.C.

In prossimità delle terme Pallottino sono visibili i resti del cosiddetto peristilio Pallottino, con colonne, non pertinente all'impianto termale.