Στο ανατολικό τμήμα, προς τα τέλη του 2ου ή στις αρχές του 3ου αι. μ.Χ. και στο πλαίσιο της υλοποίησης του προγράμματος ανοικοδόμησης του κυρίου συγκροτήματος της αγοράς, το προϋπάρχον βουλευτήριο στο μέσον της ανατολικής πτέρυγας καθαιρείται, προκειμένου να κατασκευαστεί ημικυκλικό στεγασμένο ωδείο το οποίο τροποποιείται σταδιακά έως την τελευταία φάση του στα μέσα του 4ου αι. μ.Χ. Η ταυτότητα του κτιρίου που αποκαλύφθηκε κατά την πρώτη φάση των ανασκαφικών εργασιών στον χώρο τεκμηριώνεται, μεταξύ άλλων, και επιγραφικά, καθώς σε τοίχο νεώτερων χρόνων εντοπίστηκε εντοιχισμένη μαρμάρινη πλάκα με την επιγραφή …]ΩΔΕΙΟΝ ΕΚ ΘΕ[ΜΕΛΙΩΝ... εικ 1

Η θέση του ωδείου σε συσχετισμό με τα όμορα κτίσματα της ανατολικής πτέρυγας και τους περιορισμούς που συνεπάγονται υπήρξε καθοριστική για την ιδιαίτερη τυπολογία του. Το κτίριο αποτελείται από ημικυκλικό κοίλο με σειρές εδωλίων χωρητικότητας τετρακοσίων ατόμων, ορχήστρα με ελλειπτική κάτοψη, προσκήνιο και επιμήκη σκηνή εικ 2-37. Οι τοίχοι είναι κτισμένοι με την τεχνική της μικτής τοιχοδομίας (opus mixtum) με εναλλασσόμενες ζώνες έξι σειρών πλίνθων με μικτή αργολιθοδομή ενώ σε αρκετά σημεία χρησιμοποιήθηκαν μαρμάρινοι δόμοι σε δεύτερη χρήση. Η υποδομή του κοίλου αποτελείται από επιμήκη καμαροσκεπή διάχωρα σε ακτινωτή διάταξη εικ 38-47 το εσωτερικό των οποίων, κατά τη διάρκεια της κατασκευής τους, επιχώνονταν σταδιακά με ισχυρά μπάζα από όπου προέκυψαν ευρήματα (νομίσματα, κεραμική, λύχνοι) ενδεικτικά της χρονολόγησης του ωδείου.

Στην αρχική φάση ανοικοδόμησης το δάπεδο της ορχήστρας είχε κεραμοπλαστικό διάκοσμο εικ 48-74 ενώ στο τελευταίο τέταρτο του 3ου αι. μ.Χ. η ορχήστρα που εντωμεταξύ είχε υπερυψωθεί διέθετε δάπεδο από μαρμάρινες πλάκες εικ 75-87. Μεταξύ αυτών, όπως διαπιστώθηκε κατά τη διαδικασία αφαίρεσης και συντήρησής τους στο πλαίσιο των αναστηλωτικών εργασιών, συγκαταλέγονται πέντε μαρμάρινες πλάκες σε δεύτερη χρήση με επιγραφικά κείμενα προσκλήσεων σε μονομαχικούς αγώνες.

Η άνω επιφάνεια των εδωλίων καλυπτόταν με ορθομαρμάρωση ενώ η εμπρόσθια όψη τους έφερε διακόσμηση με κυμάτιο από ασβεστοκονίαμα.

Λόγω της αδυναμίας πρόσβασης στο εσωτερικό από τις πλάγιες θέσεις του κοίλου εξαιτίας της παρουσίας των υπολοίπων κτισμάτων της πτέρυγας, όλες οι προσβάσεις, θεατών και ηθοποιών, χωροθετήθηκαν στην πρόσοψη. Οι ηθοποιοί χρησιμοποιούσαν τις δύο ακραίες εισόδους μέσω των οποίων οδηγούνταν στα παρασκήνια τα οποία βρίσκονταν πλευρικά, κάτω από τα πέρατα του κοίλου. Για την είσοδο τους στη σκηνή από τα παρασκήνια, το δάπεδό της ορχήστρας είχε υπερυψωθεί ενώ η όψη του προσκηνίου ήταν διαμορφωμένη με κόγχες και οίκους εναλλάξ. Το δάπεδο των κογχών και των οίκων ήταν στρωμένο με λευκές μαρμάρινες πλάκες, οι τοίχοι έφεραν ορθομαρμάρωση από λευκό και πολύχρωμο μάρμαρο ενώ ο ουρανός των κογχών και οι παραστάδες καλύπτονταν με ασβεστοκονίαμα το οποίο μιμείται πολύχρωμη μαρμάρινη επένδυση.

Οι θεατές εισέρχονταν στο ωδείο από τις ενδιάμεσες θύρες μέσω των οποίων οδηγούνταν σε επιμήκη προθάλαμο, ακριβώς κάτω από το δάπεδο της σκηνής, και εν συνεχεία μέσω κλιμάκων ανόδου δεξιά και αριστερά στο διάζωμα του κοίλου εικ 88-93.

Λόγω της παρουσίας των παρασκηνίων κάτω από το κοίλο και του υπερυψωμένου δαπέδου της σκηνής και της ορχήστρας, το πόδιο του κοίλου είναι επίσης υπερυψωμένο σε μεγάλο βαθμό προκειμένου οι θεατές να έχουν οπτική επαφή με ολόκληρο τον χώρο της σκηνής. Το ύψος του φτάνει το 1,60μ. και έφερε επένδυση με ορθομαρμάρωση.

Στο β΄ μισό του 4ου αι. μ.Χ., ίσως στα χρόνια του Ιουλιανού, το ωδείο επεκτείνεται περαιτέρω προκειμένου να μετατραπεί σε θέατρο με στόχο το νέο διευρυμένο κτίριο θεαμάτων να δέχεται περί τα δύο έως δυόμισι χιλιάδες θεατές. Στο πλαίσιο αυτό, προστέθηκαν σειρές εδωλίων αυξάνοντας το συνολικό πλάτος του κοίλου κατά 15 μέτρα περίπου (ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΣΧΕΔΙΟΥ ΜΕ ΧΡΩΜΑΤΙΚΗ ΕΠΙΣΗΜΑΝΣΗ ΠΡΟΣΘΗΚΗ ?). Για τις ανάγκες αυτής της επέκτασης χρησιμοποιήθηκε ο χώρος κτισμάτων ιδιωτικής χρήσης προς τα ανατολικά. Τα κτίσματα αυτά καθαιρέθηκαν και επιχώθηκαν ενώ τα θεμέλιά τους ενσωματώθηκαν στην υποδομή του κοίλου. Τα ευρήματα αυτής της επίχωσης (νομίσματα, λυχνάρια) επιβεβαιώνουν τη χρονολόγηση του προγράμματος επέκτασης του ωδείου στην περίοδο μετά τα μέσα του 4ου αι. μ.Χ.

Επιπλέον, το μέγεθος της σκηνής αυξήθηκε με τη χρήση τμήματος της εσωτερικής ανατολικής στοάς της πλατείας ενώ παράλληλα σφραγίστηκαν οι τρεις κεντρικές είσοδοι του κοινού (ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΣΧΕΔΙΟΥ ΜΕ ΧΡΩΜΑΤΙΚΗ ΕΠΙΣΗΜΑΝΣΗ ΠΡΟΣΘΗΚΗ ?). Για την πρόσβαση των θεατών στο θέατρο κατασκευάστηκαν στα δύο πέρατα του κοίλου κλιμακοστάσια ανόδου προς ένα κεντρικό διάζωμα από όπου στη συνέχεια κατευθύνονταν στις σειρές των εδωλίων. Ωστόσο, το νέο αυτό οικοδομικό πρόγραμμα φαίνεται με βάση τα ανασκαφικά δεδομένα ότι δεν ολοκληρώθηκε.

Το ωδείο και ειδικότερα το σκηνικό οικοδόμημα με την διαμορφωμένη με κόγχες και οίκους εναλλάξ όψη του προσκηνίου περιελάμβανε πλούσιο γλυπτό διάκοσμο σε άμεση συνάφεια με τον χαρακτήρα και τη χρήση του μνημείου αλλά και επιπλέον έργα γλυπτικής με τιμητικό χαρακτήρα. Μέρος του διακόσμου αυτού υλοποιήθηκε στο πλαίσιο ενός ενιαίου προγράμματος για τον εξωραϊσμό του οικοδομήματος το οποίο εμπλουτίστηκε με μεταγενέστερες επεμβάσεις - προσθήκες.

Το σημαντικότερο σύνολο γλυπτών αποκαλύφθηκε κατά την ανασκαφή του ωδείου στη δεκαετία του 1960 και περιλαμβάνει τρία αγάλματα Μουσών. Μαζί με το γυναικείο εικονιστικό άγαλμα στον τύπο της Μικρής Ηρακλειώτισσας που εντοπίστηκε κατά τις ανασκαφικές έρευνες των γερμανικών δυνάμεων κατοχής το 1944 αποτελούσαν μέρος του γλυπτού διακόσμου του ωδείου κατά την αρχική του φάση, στο πλαίσιο πιθανότατα μίας ενιαίας παραγγελίας. Πρόκειται για έργα με κοινά τεχνικά και στυλιστικά χαρακτηριστικά που αποδίδονται σε τοπικό εργαστήριο της Θεσσαλονίκης και τοποθετούνται χρονολογικά στο πρώτο μισό του 3ου αι. μ.Χ.

Στην περιοχή του Ωδείου εντοπίστηκαν αποσπασματικά, σε επιχώσεις που συσχετίζονται με μεταγενέστερες φάσεις, δύο γλυπτά τιμητικών μνημείων τα οποία πιθανότατα ήταν αρχικά τοποθετημένα εντός του μνημείου ή στον ευρύτερο χώρο του συγκροτήματος της Αγοράς. Πρόκειται για μία γυναικεία εικονιστική κεφαλή της Μαρκίας Οτακιλίας Σεβήρας, συζύγου του αυτοκράτορα Μάρκου Ιουλίου Φιλίππου και για μία ακέφαλη ανδρική προτομή.