La datation des thermes de Cluny demeure imprécise. Cependant, des fouilles récentes ont révélé la présence, dans les niveaux les plus anciens, de mobilier datant de la période augustéenne, c’est-à-dire remontant à la fondation de la ville.
Ces éléments doivent être considérés avec précaution, car il est démontré que le monument a été construit à l’emplacement de maisons gallo-romaines antérieures. Malgré l'organisation modulaire de l’édifice et son alignement sur un axe majeur, on peut se poser la question d'une construction en un seul jet. Elle aurait pris place dans une restructuration complète de cette partie de Lutèce datée de la seconde partie du IIe siècle, certains historiens la situant même, tardivement, à la période des Sévères (193-235). Cela n’exclut pas néanmoins des remaniements internes comme en connaissent tous les établissements thermaux.