Le temple de Diane se composait d'une salle rectangulaire voûtée (14,48 x 9,46 m) flanquée de deux couloirs latéraux isolant la salle de l'humidité rémanente du relief naturel, l'édifice étant engravé dans la colline. Face à l'entrée, trois compartiments, aux plafonds composés de dalles finement sculptées, s'ouvraient dans le fond. Les trois autres parois de cette pièce comportaient des niches, sans doute destinées à exposer une série de statues consacrée à la famille impériale, encadrées par des colonnes monolithes et couronnées de frontons alternativement courbes et triangulaires. La voûte, très originale et encore bien conservée au XVI^e siècle, était faite d'une succession d'arcs de largeurs imposantes et d'épaisseur inégale qui simulaient des doubleaux. L'éclairage de cette salle voûtée n'était assuré que par une seule grande baie placée au-dessus de la porte d'entrée. Cette dernière offrait de l'intérieur une perspective vers l'autel consacré à Rome et Auguste ; elle était encadrée à l'extérieur par deux fontaines. Enfin, les baies latérales du fond de la salle communiquaient avec deux couloirs latéraux larges de 1,30 m, où des escaliers déjà détruits au XIII^e siècle menaient à des constructions mitoyennes aujourd'hui disparues.

En arrière du monument, plusieurs murs délimitaient d'étroits passages, sans doute liés à l'évacuation des eaux de ruissellement, ainsi que des vides de construction profonds de 4,50 à 6 m et de formes allongées. Ces murs devaient en outre supporter une terrasse bâtie, peut-être occupée par d'autres espaces. De part et d'autre des deux escaliers, deux pièces complétaient le plan de l'édifice.

Si les chapiteaux, l'ordonnancement du décor intérieur, les caissons plats des plafonds, les proportions générales correspondent aux normes architecturales de la période augustéenne, la façade à l'est, avec ses trois arcades formant l'entrée, semble avoir été très remaniée au II^e siècle.

L'édifice a été improprement qualifié, dès le XVI^e siècle au moins, de « temple de Diane » peut-être en raison d'une assimilation ancienne de cette déesse à « Divona », terme gaulois désignant une source sacrée et employé par le poète Ausone. Le plan du bâtiment, comparable à certaines bibliothèques du monde romain, et le fait qu'il soit accolé à d'autres, contrairement par exemple à la Maison Carrée placée sur un podium et détachée de toute autre construction, suggèrent qu'il ne s'agissait pas d'un temple, même si des pratiques cultuelles ont pu s'y dérouler. Le complexe auquel il appartient a été identifié à un lieu de culte dédié à Rome et son empereur par comparaison avec certains sanctuaires connus à la même époque, notamment celui d'Alexandrie (Égypte), qui était « embelli de portiques, de bibliothèques, de parvis, de plantations, de vestibules, de péristyles, de galeries, d'une somptuosité admirable », nous dit le philosophe Philon d'Alexandrie, l'élément aquatique étant représenté à cet endroit par la mer. Ici, l'eau sacralisée de la source était facilement accessible par un escalier double semi-circulaire, aménagement antique fidèlement restitué lors de la création des jardins de la Fontaine au XVIII^e siècle.

Un grand nombre d'inscriptions ont été découvertes autour de la Fontaine. L'une d'elles mentionne Agrippa, qui était en quelque sorte le bras droit d'Auguste et qui semble avoir eu un rôle décisif dans l'entreprise de monumentalisation de la ville (en tant que « patron » des Nemausenses), notamment dans la conception du sanctuaire aujourd'hui identifié à un Augusteum. Les inscriptions montrent effectivement qu'on y honorait l'empereur, mais au cours des années 70-90 et davantage encore au II^e siècle, ce sont également les grands notables de la cité qui y sont honorés. L'un d'eux, Titus Iulius Dolabella, personnage influent y compris en dehors de Nîmes, est honoré par une association théâtrale à caractère religieux qui se produisait dans le théâtre intégré à l'Augusteum et qui était placée sous le patronage d'Hadrien, empereur de 117 à 138. C'est sans doute de cette époque que date une inscription officielle, aujourd'hui exposée au Musée de la Romanité, mentionnant à la fois un empereur et la res publica Nemausensium, le corps des citoyens nîmois. Elle devait être placée à l'entrée de l'Augusteum.

Gageons que de futures découvertes viendront préciser la fonction du « temple de Diane » qui est la seule partie de l'Augusteum qui nous soit parvenue en élévation depuis l'Antiquité, grâce à son utilisation comme édifice chrétien, attestée dès le X^e siècle mais sans doute plus ancienne. Il fut fortement mutilé à la fin du XVI^e siècle et au XVII^e siècle, alors qu'il attirait déjà l'attention des artistes et savants. Il servit de 1740 à 1823 comme lieu de dépôt et d'exposition d'inscriptions et sculptures. Au cours du XIX^e siècle, il fit l'objet de plusieurs campagnes de restauration et fut classé Monument Historique.

À ce jour, les dernières interventions archéologiques autour de la Fontaine remontent à 1997, à l'occasion de travaux de restauration et de remise aux normes de sécurité du temple de Diane. Elles ont permis de recueillir de précieuses observations sur la construction de l'édifice et sur les nombreux remaniements qu'il a pu subir durant deux millénaires.