Una sezione importante è quella che raccoglie alcune testimonianze di età romana. Si tratta di materiali scavati in una grande cisterna e soprattutto nel grande edificio termale in corso di scavo, nell'area di Mezzomiglio. In questa zona le annuali campagne di scavo condotte dall'Università dell'Arizona stanno riportando alla luce uno straordinario complesso costituito da una grande vasca che doveva essere circondata da un portico, il cui pavimento era realizzato con tegole recanti il bollo consolare del 114 d.C.
Qui, secondo la tradizione, sarebbe venuto a beneficiare delle qualità terapeutiche delle acque di Chianciano il poeta Orazio, su consiglio del medico Antonio Musa, particolarmente famoso per avere curato e guarito l'imperatore Augusto.