El hallazgo del teatro se produjo de manera fortuita en 1988, durante las obras para la construcción del Centro Regional de Artesanía. Al iniciarse los trabajos, comenzaron a salir a la luz los primeros vestigios arqueológicos que confirmaron la existencia del edificio, hasta entonces desconocida. El descubrimiento supuso un hito para el patrimonio de Cartagena, ya que reveló uno de los teatros romanos más monumentales de Hispania, oculto bajo el entramado urbano durante más de mil años.

Tras algunos años de abandono, se puso en marcha un ambicioso proyecto de excavación, restauración y puesta en valor del monumento, dirigido por el arqueólogo Sebastián Ramallo Asensio. Los trabajos se desarrollaron siguiendo criterios que diferenciaban claramente los elementos originales de las nuevas intervenciones, asegurando la autenticidad del conjunto. Paralelamente, se encargó al arquitecto Rafael Moneo el diseño del Museo del Teatro Romano de Cartagena, un espacio concebido para conectar el casco histórico con el yacimiento arqueológico mediante un recorrido museográfico integrado. El museo, inaugurado el 11 de julio de 2008, convirtió al teatro en uno de los principales referentes culturales y turísticos de la ciudad.