Le gymnase du théâtre se trouve au nord de la place où l'Arcadiané rencontre la rue de marbre. C'est le plus grand gymnase d'Ephèse. Seules les fouilles de la palestre qui fait face à l'Arcadiané, sont achevées; pour ce qui est du reste du gymnase, on a simplement procédé a des sondages pour en dresser les plans. La palestre mesure 70 x 30 m. et elle est entourée sur trois côtés par un portique à colonnes. Sur le quatrième côté, c'est-à-dire celui du bâtiment principal, elle est bordée de gradins qui servaient de tribunes d'où l'on pouvait observer les évolutions des athlètes qui venaient s'entraîner aux diverses disciplines pratiquées dans cette palestre. C'est là que se trouvait l'entrée du bâtiment principal quand on venait de la palestre.

    Le bâtiment principal était carré symétrique par rapport à un axe nord-sud. L'extrémité sud, contiguë à la palestre était un bain avec ses divisions habituelles: frigidarium, tépidarium, caldarium, etc. A côté, il y avait des salles où l'on donnait des cours pour les étudiants. Quant aux cinq salles qui se trouvaient au nord, elles étaient réservées à l'usage de bibliothèque et de salles de conférence. Le "salon impérial" du gymnase était la salle centrale, celle qui avait un mur à abside.