C'est un grand bâtiment qui se trouve au nord du stade. Nous savons par une inscription qu'il fut édifié par P. Védius Antonius (de la famille des Vedii, patriciens d'Ephèse) et sa femme Flavia Papiana. Celui-ci dédia l'édifice à la déesse Artémis et à l'empereur Antonin le Pieux (138-161 ap. J.-C.) dont il était l'ami intime.

    Ce gymnase qui possède un grand nombre de salles comptait parmi les plus beaux bâtiments d'Ephèse. L'entrée du gymnase était située dans sa partie est et se présentait comme des propylées monumentaux à colonnes. Dans le mur occidental de ces propylées une niche contenait une statue de l'empereur. Au nord des propylées, il y avait une palestre de 40 x 50 m. qui était entourée d'un portique constitué par des colonnes de 5 m. de haut. Au sud de la palestre (et situées sur le côté ouest de l'entrée) on trouvait les latrines à ciel ouvert qui sont encore très bien conservées; elles communiquaient par une porte avec les bains. Sur le côté occidental de la palestre, il y avait un salon de 20 x 10 m. qui était le "salon impérial" utilisé pour les cérémonies. Ensuite venaient diverses salles disposées symétriquement par rapport à un axe est-ouest et dont l'une, contenant un assez grand bassin, faisait partie du frigidarium et se trouvaient au centre du gymnase. Environ la moitié de l'édifice a été fouillée et les statues que l'on y a retrouvées sont au Musée Archéologique d'Izmir.

    Les sous-sols du gymnase, qui se composent de corridors et d'arches, n'ont pas encore été fouillés.