L'amphithéâtre de Nîmes fait l'objet d'un vaste chantier de restauration initié par la Conservation des Monuments Historiques et la ville de Nîmes à la suite d'un diagnostic général conduit en 2005. Cette évaluation a révélé de multiples signes de dégradation du monument dont l'exposition prolongée aux intempéries a été identifiée comme la cause majeure.

Depuis 2009, plusieurs phases de travaux se sont succédé, accompagnées d'un suivi archéologique réalisé par l'Inrap.

En 2017, un accord-cadre de 15 ans a été signé entre l'institut et la municipalité, prévoyant non seulement le suivi archéologique de l'ensemble des travaux de restauration sur cette période donnée, mais aussi la possibilité de réaliser quelques sondages et fouilles ponctuels à l'intérieur du monument afin d'en améliorer la connaissance.

L'amphithéâtre de Nîmes, dernier élément majeur de la panoplie monumentale de la ville antique, est l'un des édifices de spectacle les mieux conservés du monde romain.

Le suivi archéologique des travaux de restauration a permis de recueillir de nouvelles données sur sa datation, sa construction, son ornementation, ses usages et son évolution au fil des siècles. 

Les recherches récentes ont révélé l'existence d'un premier amphithéâtre, probablement en bois et en pierre, datant du deuxième quart du I^er siècle. Les observations faites lors de l'étude du bâti sont confortées par celles réalisées lors de la fouille des souterrains de la piste (salle cruciforme). À ce premier édifice, semblent se rapporter les fondations, une partie des murs rayonnants et les demi-piliers internes en grand appareil.

L'amphithéâtre actuel résulterait de la monumentalisation du précédent, avec la surélévation de la cavea (gradins) et l'ajout de la couronne (actuelle façade). Sa datation, longtemps estimée à la fin du I^er siècle, est désormais réévaluée au début du II^e siècle, notamment grâce à l'analyse dendrochronologique des nombreux scellements en bois prélevés qui révèle deux intervalles chronologiques distincts : autour du changement d'ère ou entre le dernier quart du I^er siècle et le début du II^e siècle. Deux stocks de bois ont donc été utilisés pour fabriquer les crampons du second monument, dont le plus ancien proviendrait vraisemblablement des planches des gradins du premier amphithéâtre.

Le second amphithéâtre présente trois types de matériaux pour le grand appareil : le calcaire froid de Barutel (majoritaire), le calcaire coquillier (pour les arcs intérieurs) et le calcaire de Roquemaillère (blocs de grandes dimensions).

Les blocs étaient assemblés au moyen de scellements en métal de type agrafe en « pi » pour un maintien à l'horizontale ou de goujons pour un maintien vertical ; d'autres, en bois, prenaient la forme de crampons en double queue d'aronde, qui stabilisaient la structure durant le chantier.

Une particularité de la construction réside dans l'usage de très nombreux réemplois. La plupart constituent des repentirs de chantier — c'est-à-dire des éléments initialement destinés à l'amphithéâtre mais déplacés pour être réutilisés ailleurs, tandis que quelques autres proviennent de monuments distincts.

Des marques lapidaires ont été observées. Sans signification établie, elles sont probablement liées à un système de comptage de lots taillés et livrés à un moment donné pour être posés. Plusieurs types de marques ont été identifiés, dont trois apparaissent de manière particulièrement récurrente.

Plusieurs bas-reliefs sont mentionnés dans les sources, jusqu'à une dizaine, mais seuls six ont été retrouvés, auxquels s'ajoutent deux découvertes récentes.

D'autres éléments décoratifs, tels que les protomés de taureaux, ornaient la travée d'honneur, et des observations sur les fondations de ses piliers ont révélé la présence de statues. Ce même constat a été fait à l'étage, de part et d'autre du parapet, et à l'arrière également, où l'espace semble avoir accueilli une autre statue d'ordre monumental. Le tympan du fronton était lui aussi orné, mais la composition de ce décor reste inconnue, faute de vestiges.

Le suivi archéologique a permis de révéler des traces liées aux usages inhérents à la fonction de l'amphithéâtre comme édifice de spectacle, mais aussi des vestiges d'installations médiévales ou modernes correspondant aux multiples fonctions qu'il a remplies au cours du temps, comme castrum, lieu de pouvoir ou encore quartier d'habitations.

De ces diverses occupations, nous sont parvenus de nombreux graffiti réalisés par des habitants ou de simples visiteurs, notamment des compagnons ayant inscrit leur signature ou gravé les outils symbolisant leur métier.