Elles furent construites entre 50 ap. J.-C. et 100 ap. J.-C., puis copiées par le Colisée romain (et non l'inverse comme l'on pourrait croire et lire dans certains guides !). Les arènes avaient une capacité de 24 000 spectateurs répartie en quatre zones et trente-quatre tribunes. L'amphithéâtre mesure 133 mètres de long pour 101 mètres de large et 21 mètres de haut ; le grand axe de l'arène mesure 69 mètres pour 38 mètres de petit axe.
Elles comptent deux étages de 60 arcades chacun surplombés d'un attique. Dans son état originel, l'amphithéâtre comptait 34 rangées de gradins.
Au temps des romains, les notables assis aux premiers gradins (cavea) avaient leur nom gravé dans la pierre, ainsi leur place était réservée.
Après l'interdiction des combats de gladiateurs en 404, les arènes furent transformées en forteresse par les Wisigoths : il leur suffit de boucher les arcades, d'ajouter quelques tours, de creuser un fossé et, peut-être, d'édifier une petite enceinte supplémentaire (vestiges dans le sous-sol du palais de Justice).
Lors des grandes invasions de l'Antiquité tardive, la population se réfugia dans l'enceinte de l'édifice qui fut alors utilisé comme village fortifié qui contenait deux églises, 220 maisons, ainsi qu'une petite fortification.
La restauration des arènes et la destruction des habitations, à l'intérieur de l'amphithéâtre ou à l'extérieur en prenant appui sur le bâtiment, commença à la fin du XVIIIe siècle par le décret en Conseil d'État du roi du 28 mars 1786 puis fut continuée suite au décret impérial du 2 février 1809.
Aujourd’hui, les arènes sont utilisées pour de nombreux spectacles, en particulier des corridas qui se déroulent (la plupart du temps) durant les Férias de Pentecôte (fin mai-début juin) et de Vendanges (mi-septembre), auxquelles il faut ajouter des représentations théâtrales et des concerts du Festival de Nîmes (juillet-août). Ces arènes sont les mieux conservées au monde. Depuis 2006, le site est géré en délégation de Service Public par Culturespaces ; une nouvelle visite offre aux touristes du monde entier la possibilité de découvrir l'histoire de l'amphithéâtre de Nîmes, grâce à un audioguide en huit langues, des panneaux pédagogiques illustrés et deux alvéoles : la première sur le quartier des gladiateurs (fac simile d'armes, de casques que les visiteurs peuvent toucher, extraits de film, théâtre optique...) et la seconde sur la tauromachie. Le monument se visite toute l'année.
On peut également admirer sur le Parvis des Arènes, la statue du matador Nimeño II, gravement blessé dans les arènes d'Arles en 1989.