Pendant le Moyen Age l'Amphithéâtre a pris le nom de Palatium rotundum et entre les XIe et XIIe siècles il y avait installée une famille noble qui prit le nom de De Palatio. Dans l'arène avaient lieu, jusqu'au XIIIe siècle, les duels judiciaires appelés « jugements de Dieu ».
Le monument n'a pas encore été systématiquement fouillé. Les seuls sondages, bien que n'étant pas étendus à toute la surface du bâtiment, ont été faits par Carlo Promis qui dans Le antichità di Aosta, publié en 1862, avait réalisé un levé et une reconstruction du monument. En 2004, une fouille archéologique à proximité de la Tour du Baillage a révélé la présence des pièces d'une structure de paroi extérieure qui suit la ligne du front de l'Amphithéâtre.
A cette occasion, ont étéégalement vérifiées les données produites par Promis, pour définir plus précisément l'ampleur réelle et le développement du plan du bâtiment entier.