L'arco è realizzato nei piloni in opera quadrata di marmo, mentre l'attico (che ospita uno spazio accessibile) è realizzato in muratura e in cementizio rivestita all'esterno di blocchi marmorei. Misura 21 metri di altezza, 25,9 m di larghezza e 7,4 m di profondità. La struttura architettonica riprende quella dell'arco di Settimio Severo nel Foro Romano, con i tre fornici inquadrati da colonne sporgenti.
Sull'arco sono reimpiegate otto lastre in marmo pentelico greco, di un unico grande fregio (forse proveniva dal Foro di Traiano) di circa 3 m di altezza con scene di battagli. I quattro pannelli a rilievo sono collocati sulle pareti laterali del fornice centrale e sui lati corti dell'attico. Il fregio raffigurava le gesta dell'imperatore Traiano durante le campagne di conquista della Dacia (102-107). Dello stesso periodo (e forse provenienti dak foro di Traiano), otto statue di prigionieri Daci, in marmo pavonazzetto collocate su basamenti in marmo cipollino, decorano l'attico. Testa e mani delle sculture e una delle figure per intero, in marmo bianco, sono riferibili al restauro eseguito nel 1742 dallo scultore Pietro Bracci.
Gli Otto rilievi circolari (di oltre 2 m di altezza) collocati al di sopra dei fornici laterali, sono identificati all'epoca dell'imperatore Adriano. Raffigurano alternativamente scene di caccia (partenza per la caccia, cacce all'orso, al cinghiale, al leone) e scene di sacrificio a divinità pagane (ciascuna collegate ad una delle cacce). Incerta la provenienza dei rilievi, forse da un monumento dedicato ad Antinoo situato sul Palatino, o forse realizzati nella prima fase di edificazione dell'Aro trionfale.
Sull'attico, ai lati dell'iscrizione, sono murati otto rilievi rettangolari (alti più di 3 metri) che raffigurano diversi episodi delle imprese dell'imperatore Marco Aurelio contro i Quadi e i Marcomanni (definitivamente sconfitti nel 175). Sulla facciata meridionale, da sinistra a destra: Rex datus (presentazione all'imperatore di un capo barbaro sottomesso); Captivi (prigionieri condotti all'imperatore); Adlocutio (discorso ai soldati); Lustratio (sacrificio al campo). Sulla facciata settentrionale, da sinistra a destra: Adventus (arrivo dell'imperatore a Roma); Profectio (partenza da Roma); Liberalitas (distribuzione di denaro al popolo); Submissio o Clementia (sottomissione di un capo barbaro). I dodici rilievi provenivano forse da un arco trionfale, oggi scomparso.
Sui lati corti sono presenti due tondi appositamente scolpiti all'epoca di Costantino: sul lato est il Sole-Apollo sulla quadriga sorge dal mare; sul lato ovest la Luna-Diana guida invece una biga che si immerge nell'Oceano.
Della stessa fase il fregio continuo al di sopra dei fornici laterali (sotto i tondi) e sui lati corti del monumento. Il racconto, che riguarda gli episodi della guerra contro Massenzio e la celebrazione della vittoria di Costantino a Roma: Profectio (partenza da Milano); Obsidio (assedio di Verona); Proelium (battaglia di Ponte Milvio): Ingressus (arrivo a Roma); Oratio (discorso dai rostra nel Foro Romano); Congiarium o Liberalitas (distribuzione di denaro al popolo).
Le altre decorazioni scultoree eseguite in epoca costantiniana sono: rilievi sui plinti delle colonne, accoppiati simmetricamente e raffiguranti, sul fronte Vittorie e trofei con barbari orientali e nordici prigionieri, sui lati dei fornici laterali Prigionieri nordici e orientali da soli o con soldati romani, sui lati del fornice centrale Soldati coi "signa" o Sol Invictus e Victoria; otto busti su lastre inseriti nella muratura dei passaggi laterali, con ritratti imperiali e figure di divinità; Vittorie alate con trofei e i Geni delle Stagioni nei pennacchi del fornice centrale; personificazioni di fiumi nei pennacchi dei fornici laterali; sculture delle chiavi d'arco con raffigurazioni di divinità, sui fornici laterali Marte, Mercurio, Genius populi Romani, sul fornice centrale Roma e Quies Rei Publicae.
Al centro dei due lati dell'attico è presente la seguente iscrizione:
« IMP(eratori) · CAES(ari) · FL(avio) · CONSTANTINO · MAXIMO · P(io) · F(elici) · AVGUSTO · S(enatus) · P(opulus) · Q(ue) · R(omanus) · QVOD · INSTINCTV · DIVINITATIS · MENTIS · MAGNITVDINE · CVM · EXERCITV · SVO · TAM · DE · TYRANNO · QVAM · DE · OMNI · EIVS · FACTIONE · VNO · TEMPORE · IVSTIS · REM-PUBLICAM · VLTVS · EST · ARMIS · ARCVM · TRIVMPHIS · INSIGNEM · DICAVIT · »
« All'imperatore Cesare Flavio Costantino Massimo, Pio, Felice Augusto, il Senato e il popolo romano, poiché per ispirazione divina e per la grandezza del suo spirito, con il suo esercito rivendicò per mezzo di giusta guerra lo Stato tanto dal tiranno e, ad un tempo, da ogni fazione, dedicarono questo arco insigne per trionfi. »
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