Sulla base delle più recenti indagini archeologiche (2004-2008) si sono potute identificare alcune fasi cronologiche relative all'occupazione dell'area.
Restano al momento ignoti i periodi precedenti all'occupazione romana, probabilmente per via della demolizione avvenuta in questa fase.
Intorno al I secolo venne edificato un ambiente termale relativamente modesto, caratterizzato da due vani ciclici ad ipocausto con tubuli alle pareti, costituenti vere e proprie saune.
Una seconda fase di III secolo delle Terme conosce una monumentalizzazione che porta alla creazione di un enorme calidario e di un'ampia sala absidata con una vasca marmorea al centro (forse un frigidario). A questa fase risalgono una condotta idrica che attraversava tutta l'area, il prefurnio messo in luce presso via Marino e la gran quantità di vani quadrati (di cui se ne sono contati almeno otto).
La fase di decadenza del complesso termale inizia tra V e VI secolo, quando il calidario viene diviso in più stanze e viene aggiunto un altro ambiente a ovest, pavimentato in opus sectile, di incerta funzione.
In età indefinita sorge sulle terme, senza rispettarne l'impianto, un edificio circolare cupolato, verosimilmente una chiesa o un battistero. Questa nel Medioevo assumerà il titolo de "La Rotunda".
Nella metà del Duecento diventa cappella capitana e nei pressi sorse la residenza di Artale Alagona, noto condottiero.
Una tradizione cinquecentesca vuole che l'edificio fosse in origine un antico luogo di culto pagano che funse da ispirazione al Pantheon di Roma e che fu San Pietro a convertirlo nel 44 al culto di Maria Vergine. Tale mito si mantenne fino ai primi studi del Settecento, quando per primo il Principe di Biscari sospettò trattarsi di ambiente termale, ma solo a seguito degli scavi degli anni '50 si poté chiarificare la natura laica dell'edificio.
Nel Cinquecento sorge anche una cappelletta, Santa Maria La Cava (per via degli ambienti romani sotterrati), ricostruita nel Settecento su disegno di Ittar.
Nel 1943, durante il bombardamento alleato di Catania, le due chiese furono colpite. Santa Maria La Cava crollò del tutto (si salvarono solo il campanile e la parete absidale), mentre La Rotonda fu interessata solo parzialmente. Questa occasione fu colta al balzo da Guido Libertini che, ansioso di "liberare" l'edificio romano, demolì tutto il corredo ecclesiastico tra cui una magnifica tomba gotica i cui resti giaciono sparsi nel cortile del Museo Civico. Durante gli scavi degli anni successivi si smontò anche la via Cava, che separava le due chiese, per mettere in luce il vero complesso termale.
Oggi le due chiese, il complesso termale e le abitazioni settecentesche colpite dal bombardamento, fanno parte del Parco Archeologico Greco-Romano di Catania.
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