Les vestiges archéologiques gallo-romains se répartissent sur 2 sites : celui de la Villase et celui de Puymin. Ces vestiges datent essentiellement du 1° et 2° siècle après Jésus-Christ et témoignent de l'opulence de la ville gallo-romaine qui était présente en ces lieux.
La ville antique s'était développée sur environ 70 hectares, principalement sur la rive droite de l'Ouvèze, à l'emplacement de la ville actuelle de Vaison-la-Romaine.

Le site de Puymin comprend notamment :
- la maison à l'Apollon lauré. Cette maison tire son nom d'une tête d'Apollon en marbre blanc découverte ici en 1925 et exposée aujourd'hui au musée. Elle s'étend sur 2000 m² tandis que la partie méridionale est encore enfouie sous la ville actuelle.
- la maison à la Tonnelle, d'environ 3000 m².
- le sanctuaire ou jardin à portique. Quatre portiques à colonnes entouraient le jardin rectangulaire avec un bassin en son centre. Seul le mur de la galerie nord (52 m de long) est complet. Il comporte trois niches, décorées au XXe siècle avec des moulages de statues : l'empereur Hadrien et son épouse Sabine en occupent les deux extrémités. Les originaux en marbre blanc décoraient le mur de scène du théâtre et sont présntés dans le musée. COnsidér&eeacute; initialement comme un monument public à vocation religieuse, les derniès découvertes archéologiques semblent indiquer que cet espace serait un grand jardin appartenant à une riche demeure dont les pièces d'habitation se situeraient sous la ville actuelle au sud.
- l'allée des sarcophages et le quartier artisanal. Ici sont entreposés des sarcophages en pierre d'époque antique ou paléochrétienne. Certains sont taillés dans des fragments de monuments romains. Le quartier artisanal montre en particulier une grande jarre (dolium) de 2,2 m de hauteur.
- le théâtre antique. Ce théâtre pouvait accueillir environ 6000 spectateurs, avec des gradins creusés dans la colline. Il est devenu aujourd'hui un lieu de spectacle, où se déroule le Festival d'été.
- le musée Théo Desplans. Ce musée expose tous les objets livrés par les fouilles archéologiques vaisonnaises, dont notamment de belles statues impériales et de magnifiques mosaïques.

Le site de la Villasse correspond à des vestiges d'un quartier riche où l'on trouvait boutiques et thermes. Les éléments remarquables sont constitués par :
- la rue des Boutiques, une large voie créée vers l'an 70-100 et utilisée au moins jusqu'au IV° siècle.
- la maison du buste en argent ou schola. Ici ont été découverts une importante série d'autels votifs (dont deux dédiés à Vulcain), de sculptures et de portraits. Ces découvertes laissent penser que le bâtiment était le siège d'une schola (siège d'un collège professionnel et religieux). Un buste en argent ainsi qu'un portrait impérial ont aussi découverts lors de fouilles.
- la maison au Dauphin qui tire son nom d'un petit marbre blanc représentant un dauphin chevauché par un Cupidon exposé aujourd'hui au musée. Cette maison était initialement un habitat rural de 1400 m² avec des dépendances agricoles. Avec le développement de la ville romaine, cette ferme s'est retrouvée dans tissu de la ville et s'est agrandie et embellie pour s'étendre sur 2700 m².
- un ensemble thermal, avec notamment les différentes pièces réservées aux bains, la palestre (grande esplanade entourée de quatre portiques qui servait aux exercices physiques) avec sa piscine.