Le projet du Carré d'Art de Norman Foster, situé à l'emplacement du théâtre municipal incendié en 1952 et face à la Maison Carrée, a été une opportunité majeure pour l'archéologie nîmoise. Réalisée dans les années 1980, cette opération est la première fouille préventive menée avec une équipe et des moyens prévus à l'avance. Bien que la zone d'étude soit réduite à 1000 m², elle a permis de désenclaver la Maison Carrée, isolée dans la ville contemporaine, et de la replacer dans la trame des monuments publics restituée grâce aux fouilles successives depuis cette première expérience d'archéologie urbaine.

La fouille a été entreprise dans l'espace occupé par l'ancien théâtre, avant la construction du Carré d'Art inauguré en 1993. Des sondages ont été ouverts à cet emplacement en 1979 par le Service régional de l'Archéologie, permettant à Pierre-Yves Genty d'établir une séquence d'occupation de l'âge du Fer à la période médiévale.

Sous deux mètres de stratification archéologique, un épandage de tessons et de déchets domestiques recouvre la surface du sol naturel, indiquant une mise en culture ou la présence d'une ferme exploitant ces terres proches de l'agglomération à la fin du VI^e siècle et au Vᵉ siècle avant J.-C. Le secteur connaît un investissement plus marqué dès la fin du IV^e siècle, peut-être au rythme de l'expansion de la ville vers le sud au second âge du Fer.

Au I^er siècle avant J.-C., un véritable quartier urbain se forme, avec des habitations desservies par une rue empierrée. On y trouve des aménagements de production tels que deux silos excavés dans le sol et un four de potier, témoignant de la permanence de cette activité artisanale depuis l'âge du Fer en périphérie de l'agglomération. Un bassin hexagonal constitue un aménagement d'agrément dans un espace ouvert, cour ou jardin.

Ce secteur, proche de la Maison Carrée, subit une transformation profonde avec l'installation du centre civique de la colonie à la fin du I^er siècle avant J.-C. et au début du siècle suivant. Le développement de la parure monumentale entraîne la destruction des habitations privées et la condamnation d'une partie de la voirie, tout en conservant l'ancienne trame urbaine aux directions discordantes avec l'orientation donnée au forum. On y trouve les restes d'un temple dont seule subsiste la fondation massive du podium d'au moins une vingtaine de mètres de côté. Cet édifice est précédé d'une avant-cour limitée par un mur bahut à redans, avec un escalier d'accès. Il est séparé par un passage de deux constructions symétriques de plan rectangulaire avec des escaliers — deux petits temples jumeaux ? — encadrant l'accès au temple majeur.

La destruction de ces bâtiments, attestée par de nombreux fragments de blocs architecturaux laissés sur place, intervient probablement au Ve siècle. Cette destruction contraste avec la conservation exceptionnelle de la Maison Carrée. Les ruines sont recouvertes par un épais sol brun chargé de tessons provenant d'épandages agricoles. C'est dans un secteur désurbanisé de longue date qu'est édifiée, au cours du XIII^e siècle, une église à nef unique de 8 m sur 13 m, fermée par une abside. Cette réalisation modeste, au sol de terre battue, disposait tout de même d'un revêtement d'enduit blanc rehaussé de rouge et de vitrail. Elle est accompagnée de quelques bâtiments et d'un cimetière où sept tombes ont été dégagées. La fouille révèle l'image d'une de ces fondations conventuelles hors les murs, peut-être celle des Frères mineurs qui a été rasée pour améliorer la défense urbaine dès le XIV^e siècle.