Als eine weitere Station auf Ihrer Zeitreise in die Welt der Römer bietet sich die Große Therme an, die etwa 500 m westlich des Freilichtmuseums Petronell liegt und bequem über einen Fußweg erreicht werden kann. Aufgrund ihrer großzügigen und luxuriösen Ausstattung wurde die Anlage ursprünglich fälschlicherweise für den Palast eines Statthalters (Palastruine) angesehen.
Die Therme lag im Zentrum der römischen Zivilstadt und grenzte direkt an das Forum. Zur Blütezeit Carnuntums zierte bunter Marmor die Wände, der aus allen Teilen des römischen Reiches importiert wurde, und die Fußböden waren mit eindrucksvollen Mosaiken ausgelegt. In den prächtigen Hallen traf man sich mit Bekannten und Geschäftspartnern, folgte angeregten Diskussionen, genoss die Wärme und entspannte sich in den Wasserbecken.
Heute noch sind die Reste von Fußbodenheizungen, Bade- und Schwimmbecken, Heizräumen, Wasserspeichern und einem großen Wirtschaftshof zu sehen. Den Südteil der Anlage bildete eine Markthalle (marcellum) mit kleinen, rechteckigen Räumen. Nördlich schloss an die Markthalle die Palästra - ein großer offener Hof - an. Noch weiter nördlich lag das eigentliche Badegebäude, eine der größten römischen Thermen nördlich der Alpen.