A l'exemple de beaucoup de stations thermales, la vocation d'Aix-les-bains est issue de l'Antiquité. Une partie des vestiges romains, connus dès le XIXe siècle car visibles dans les sous-sols de la pension Perrier, ont été mis au jour lors des travaux de construction des Thermes Pétriaux au début des années 1930.
Dès le Ier siècle avant notre ère, des sources chaudes font l'objet d'attentions cultuelles qui perdurent pendant la période romaine ainsi qu'en témoignent les inscriptions dédiées au dieu gaulois des sources, Borvo. Le bourg est alors doté de thermes monumentaux qui prendront une importance particulière au cours du deuxième siècle de notre ère. La chronologie de construction actuellement admise pour les thermes antiques fait apparaître trois périodes principales. Les premiers aménagements romains, datant de la fin du Ier siècle de notre ère, sont constitués, en aval du griffon thermal aménagé dans le rocher, par une grande piscine sans doute extérieure, orientée à l'ouest, bordée d'une plage de circulation dallée de pierre calcaire. Une baignoire d'une profondeur de 1, 20 m recevait l'eau de la piscine. Une seconde baignoire, peu profonde, était située dans la plage autour de la piscine. Sur le côté de celle-ci s'ouvrait probablement une longue salle donnant sur la plage. Une seconde piscine, au sud, était reliée à l'ensemble par une galerie. Une seconde phase de construction intervient au début du IIe siècle. Il s'agit essentiellement d'aménagement de salles montées sur hypocaustes, à l'est de la grande piscine dont la décoration est alors reprise. Une première salle, divisée en trois espaces, comprend une baignoire profonde de 1,10 m, un petit bassin et un hall d'accès. L'ensemble des parois et des sols est sans doute recouvert d'un placage de marbre. Une grande salle montée sur hypocaustes précède la piscine appelé le bain de César. A l'est, se trouve une autre salle dotée d'une piscine décorée de mosaïques sur le fond du bassin. Deux bassins de forme carrée, recevant l'eau par des gargouilles, occupent les angles est de la pièce. Il pourrait s'agir d'un nymphée. Une troisième phase de construction se caractérise par l'ajout de nouvelles salles chauffées dont l'une devient le nouveau coeur de l'édifice. Entre le IIIe et le Ve siècle, une destruction générale de l'édifice est envisageable ; elle aurait été suivie d'une restauration partielle, les parties les plus abîmées ayant été condamnées. Après le Ve siècle, les thermes sont abandonnés, sauf une des piscines qui reste en fonction à l'extérieur jusqu'à la fin du XIXe siècle. Celle-ci, recevant l'eau de la source d'alun, fut un temps utilisée comme bain des pauvres avec quelques aménagements sommaires, avant d'être transformée en bain pour les chevaux et enfin détruite en 1934. Seule une partie des anciens thermes romains a été fouillée. La découverte de vestiges de cette époque un peu plus au nord (à l'avant de la piscine du bâtiment royal) autorise à envisager des installations thermales antiques d'une superficie beaucoup plus importante que celle qui a été mise au jour jusqu'à maintenant.