Aux côtés des travaux de restauration, une fouille stratigraphique commencée en 2006 près de la basilique orientale permet d’étudier l’agglomération à la période romaine. La découverte d’un vaste et original établissement thermal situé au cœur de l’agglomération constituent pour la Cyrénaïque une découverte exceptionnelle. Les thermes se développent sur deux niveaux, dus à la forte dénivellation, en direction de la mer.
L’originalité du plan, de forme octogonale, est à remarquer. Il est articulé autour d’une piscine circulaire centrale à trois gradins, entourée d’un portique continu. Sur ses côtés ont été identifiées des salles très inégalement conservées, qui ont été soit détruites, soit remblayées, soit profondément remaniées à l’époque byzantine : des latrines collectives au sud, près desquelles il faut situer l’entrée principale du complexe, une salle tiède avec une piscine transformée ultérieurement en salle de réception pourvue d’un stibadium, des pièces chaudes (caldarium) chauffées par un double système à hypocauste (sous le plancher) et à tubulures (dans les murs), ainsi que plusieurs autres pièces au nord et à l’est dont les fonctions n’ont pas encore été définies.
L’ampleur de l’édifice et la qualité de la construction démontrent qu’il s’agit d’une opération édilitaire de grande ampleur et d’une grande originalité de plan pour un village. Cette architecture verticale devait considérablement marquer le paysage rural. La singularité des thermes d’Érythron tient également à leur histoire. Construit à la fin du IIe ou au début du IIIe siècle ap. J.-C., l’édifice connut de profondes modifications à la fin du IIIe siècle ou au début du IVe siècle, période durant laquelle le complexe cessa d’être utilisé en thermes.
Les pièces ne sont pourtant pas abandonnées, mais réaménagées en une hypothétique villa, avec notamment la salle de banquet et son stibadium, tandis que l’octogone central est transformé en péristyle. Le secteur continua d’être occupé du Ve au VIIIe siècle, selon une nouvelle trame urbaine dictée par la construction de l’église orientale avec notamment au nord une boulangerie et un atelier de potier, au sud des bâtiments domestiques et artisanaux.
Les différents travaux menés sur le site d’Érythron-Latrun permettent, pour la première fois en Libye, d’analyser l’occupation et les différentes composantes d’un village, depuis l’époque hellénistique jusqu’à la conquête arabe, c’est-à-dire entre le IVe av. J.-C. et le VIIe ap. J.-C. Il s’agit de comprendre comment, à partir d’un nucleus centré sur un pyrgos (sorte de ferme fortifiée) d’époque hellénistique situé sur le promontoire rocheux au nord-est du site, l’agglomération s’est développée progressivement aux époques romaine et byzantine.