Το Οκτάγωνο κτίσθηκε δυτικά των λουτρών και η κύρια είσοδός του είναι στραµµένη προς τη θάλασσα.
Η ανασκαφή του µνηµειακού αυτού οικοδοµήµατος ξεκίνησε το 1950 και συνεχίσθηκε σταδιακά µέχρι το 1981 φέρνοντας στο φως το κτίσµα που βλέπουµε σήµερα, και νοτιότερα τµήµα περιστυλίου, το οποίο δεν είναι ορατό λόγω της ανέγερσης των σύγχρονων οικοδοµών.
Το κτίριο αποτελείται από µία οκταγωνική αίθουσα και έναν µνηµειώδη προθάλαµο µε δύο ηµικυκλικές κόγχες στις στενές πλευρές. Ο προθάλαµος επικοινωνούσε, διαµέσου ανοίγµατος που υπήρχε στη νότια τοιχοποιία, µε ένα µεγάλο περίστυλο αίθριο πλάτους 47µ. και µήκους 88µ. Η όψη του ανοίγµατος διαµορφωνόταν µε τριπλό τόξο (τρίβηλο) και δύο κίονες οι οποίοι διασώζονται κάτω από τα θεµέλια της οικοδοµής επί της οδού Ισαύρων 3.
Οι στοές του περιστυλίου είχαν διαφορετικό πλάτος και έφεραν ψηφιδωτά δάπεδα. Στο βόρειο άκρο της ανατολικής στοάς, η οποία οδηγούσε προς τη µαρµάρινη κλίµακα του νότιου διαδρόµου, υπήρχε πεταλόµορφη κόγχη πλαισιωµένη µε πεσσούς που υποβάσταζαν µαρµάρινο τόξο που βρέθηκε κατά την ανασκαφή του χώρου. Το τόξο αυτό, γνωστό µε το συµβατικό όνοµα «Το Μικρό τόξο του Γαλερίου», εκτίθεται σήµερα στο Αρχαιολογικό Μουσείο της Θεσσαλονίκης.
Η οκταγωνική αίθουσα έχει εµβαδόν 875 τ.µ. και εσωτερικά διαµορφώνεται µε επτά ηµικυκλικές κόγχες που ανοίγονται στη βάση του τοίχου. Η βόρεια κόγχη απέναντι από την είσοδο είναι µεγαλύτερη από τις άλλες και η τοιχοποιία της διαφοροποιείται από τις υπόλοιπες λόγω του τρόπου δόµησης, και του κεραµοπλαστικού κοσµήµατος που υπάρχει στο άνω τµήµα της.
Η αίθουσα καλυπτόταν µε θόλο διαµέτρου 23µ. Στη βάση του θόλου κατέληγαν δύο κοχλιωτά
κλιµακοστάσια που σώζονται µέχρι σήµερα εκατέρωθεν της εισόδου που οδηγεί στον προθάλαµο. Το ύψος της µέχρι το κλειδί του θόλου ήταν 29µ.
Το Οκτάγωνο, κατά τη διάρκεια της κατασκευής του αλλά και κατά τη µακρόχρονη λειτουργία του, υπέστη πολλές επιδιορθώσεις και µετασκευές. Το κτίριο πιθανόν σχεδιάσθηκε ως κανονικό οκτάγωνο µε ορθογώνιο εξωτερικά προθάλαµο. Σύµφωνα µε την επικρατέστερη ιστορική έρευνα προοριζόταν για αίθουσα ακροάσεων ή αίθουσα θρόνου των ανακτόρων, ενώ αργότερα λειτούργησε και ως χριστιανικός ναός.
Στην πρώτη οικοδοµική φάση, η οποία τοποθετείται µέχρι τον θάνατο του Γαλέριου το 311 µ.Χ., από τον αρχικό σχεδιασµό του κτιρίου υλοποιήθηκε η θεµελίωση, τµήµα της ανωδοµής της οκταγωνικής αίθουσας σε ύψος 1,20µ., καθώς και η θεµελίωση του προθαλάµου και του νότιου περιστυλίου.
Με τον θάνατο του Γαλέριου οι εργασίες στο Οκτάγωνο διακόπηκαν και επαναλήφθηκαν µετά το διάταγµα των Μεδιολάνων το 313 µ.Χ., επί βασιλείας του Μ. Κωνσταντίνου.
Την περίοδο της παραµονής του Μ. Κωνσταντίνου στην πόλη πρέπει να ολοκληρώθηκε η ανέγερση του κτιρίου και η διεύρυνση της βόρειας κόγχης η οποία κρίθηκε αναγκαία για λειτουργικούς λόγους. Η ολοκλήρωση της εσωτερικής διακόσµησης ανάγεται πιθανόν στο τέλος του 4ου αιώνα µ.Χ.
Σε µεταγενέστερη οικοδοµική φάση κάτω από το δάπεδο της βόρειας κόγχης και εντός του δακτυλίου της θεµελίωσης, κατασκευάσθηκε ορθογώνιος καµαροσκεπής τάφος µε τοιχογραφίες που χρονολογούνται στο β' µισό του 5ου µ.Χ. αιώνα. Εκατέρωθεν της βόρειας πλευράς της οκταγωνικής αίθουσας προστέθηκαν δύο µικρά θολοσκεπή προσκτίσµατα, η κατασκευή των οποίων ολοκληρώθηκε πιθανόν τον 6ο µ.Χ. αιώνα. Το ανατολικό πρόσκτισµα συνδέθηκε, µέσω µικρής στοάς, µε την κεντρική κτιριακή ενότητα του συγκροτήµατος, ενώ στα θεµέλια του δυτικού, µετά την καταστροφή του, κτίσθηκε θολωτή κατασκευή η οποία σώζεται µέχρι σήµερα. Η ανέγερση των µικρών αυτών κτισµάτων που πλαισίωναν την κόγχη εξυπηρετούσε τις ανάγκες της λειτουργίας του ναού και ενδεχοµένως να χρησίµευαν ως παστοφόρια.
Η καταστροφή του Οκταγώνου τοποθετείται τον 7ο αιώνα µ.Χ., εποχή που η Θεσσαλονίκη συγκλονίζεται από ισχυρούς σεισµούς που κατέστρεψαν τα περισσότερα κτίριά της. Μετά την καταστροφή του κτίσµατος ο προθάλαµός του µετατράπηκε σε δεξαµενή η οποία λειτούργησε µέχρι τον 14ο αιώνα.
