Aucun élément provenant des fouilles ne permet de dater de façon certaine la fondation des «arènes». On considère cependant qu’elles ont sans doute été édifiées avant la fin du Ier siècle. L’existence de plusieurs états de la cavea est possible et diverses phases d’embellissement peuvent être envisagées.
L’amphithéâtre a dû être abandonné au début du IVe siècle puisque des blocs qui en provenaient ont été retrouvés en remploi dans l’enceinte de la Cité. Une autre preuve de son abandon à la fin de l’Antiquité est apportée par l’installation d’une petite nécropole dans l’arène, qui a livré des sépultures contenant du mobilier du Ve, voire du VIe siècle. Dans ces conditions, la thèse de la réutilisation des «arènes« à la période mérovingienne est problématique.
Lorsque Grégoire de Tours nous dit que Chilpéric (561-584) a organisé des jeux dans un cirque à Paris, rien ne prouve que ce fut à cet endroit, même si quelques rares objets mérovingiens, comme une boucle de ceinture et une épingle de bronze, y ont été découverts.
L’édifice, même ruiné et dépouillé de son grand appareil, a cependant dû laisser son empreinte dans la topographie parisienne comme le montre la persistance du toponyme jusqu’au Moyen Âge. On sait d’ailleurs qu’il a encore servi de carrière de pierres pour la construction de l’enceinte de Philippe-Auguste, et que l’on y a notamment récupéré de petits moellons.