הבריכה (400 מ"ר ויותר; איורים 2, 3) נבנתה היטב בתוך בור גדול שנחפר באדמה. קירותיה אינם מקבילים זה לזה (24 מ' אורך הקיר הצפוני, 20.5 מ' אורך הקיר הדרומי). היא קורתה בשישה קמרונות, מהם השתמרו כיום חמישה, הנתמכים ב-15 עמודים ו-16 אומנות דמויות צלב סימטרי, המחוברים בקשתות מחודדות. בין כל זוג עמודים ישנה קשת מחודדת, ובקיר שנבנה מעל הקשת הותקן חלון קטן, אף הוא בצורת קשת מחודדת (איור 4). העמודים והקשתות נבנו באבני גזית, ואילו קירות הבריכה והקמרונות נבנו מאבנים קטנות (כ-1 מ' עובי). הפתח קבוע בפינה הצפונית-מזרחית, וממנו מוליך אל הקרקעית גרם מדרגות הבנוי צמוד לקיר (איור 5). המדרגות נבנו אבן, והן נשענות על קשת שטוחה בחלקן העליון ועל עוד חצי קשת בחלקן התחתון. כיום על מדרגות האבן מונחות מדרגות מתכת. בתקרת הבריכה הותקנו במקור 24 פתחי דלייה רבועים, שבכל פתח הוצב בסיס עמוד שבמרכזו נחצב חור עגול; כיום נותרו רק 12 פתחים, כנראה כתוצאה מעבודות השיקום. בקיר המערבי של הבריכה, בחלק העליון, ליד הפינה הצפונית-מערבית, הותקן במקור פתח רבוע.

 
החפירה נערכה במהלך עבודות השיקום של הבריכה, במטרה לברר את טכניקת הבנייה שלה, לאתר את הפתח המקורי של כניסת המים לבריכה ולברר מהו מקור המים של הבריכה כיום, מים שחודרים אליה דרך סדקים בקיר הבטון שנבנה על ידי מחלקת העתיקות המנדטורית. נחפרו חצי ריבוע בפינה הצפונית-מערבית של הבריכה (שטח A) וחצי ריבוע נוסף מחוץ לפינה הצפונית-מערבית של הבריכה (שטח B).
 
שטח A. במסגרת עבודות השיקום רוקנה הבריכה ממים ונחשפה הקרקעית, שרוצפה ברובה בחלוקי אבן גיר. הטיח שכיסה את הקירות המשיך וכיסה גם את קצה הרצפה. בנקודת החיבור בין הקיר לרצפה הונח הטיח באלכסון כדי למנוע זווית ישרה שבה עלול להצטבר לכלוך. רק במקום אחד, מתחת לקמרון בפינה הצפונית-מערבית של הבריכה ומתחת לפתח הרבוע שבחלקו העליון של הקיר המערבי, רוצפה הבריכה בלוחות שיש בשימוש משני (לוקוס 1; איור 6). רצפת השיש ניגשת רק אל הקיר המערבי של הבריכה. משנחשף קטע זה של הרצפה התחזקה ההשערה כי המים הזינו את הבריכה דרך הפתח הרבוע שנמצא בגובה של כ-7 מ', וכי רצפת השיש נועדה לעמוד בלחץ המים הנופלים מגובה זה. עוד התגלה עם חשיפת קרקעית הבריכה בור עגול סמוך לקצה התחתון של גרם המדרגות; אל הבור מוליכות שלוש תעלות רדודות שנכרו בקרקעית הבריכה. כיום מוצבת בבור משאבה חשמלית, השואבת פעם בשבועיים בממוצע מים מן הבריכה. נראה שהבור נכרה בשנת 1942 במטרה להציב בתוכו את המשאבה. כמו כן התברר כי סביב העמודים והאומנות נבנה היטב עיבוי מאבן וטיט עמיד במים. עיבוי זה מופיע בצילומים ישנים, אך הוא נשכח במשך השנים.
בחפירה בפינה הצפונית-מערבית של הבריכה (איור 7) פורקו השורה הצפונית של לוחות השיש וחלק מריצוף חלוקי האבן. התברר כי מסד הבריכה נבנה היטב (כ-0.65 מ' עובי) וניתן היה להבקיע אותו רק באמצעות אזמל חשמלי (קונגו). בחלקו העליון של המסד, מתחת לרצפת הבריכה, נחשפה שכבה של טיט אפור כהה עמיד במים (6–8 ס"מ עובי), המורכב מסיד וכמות רבה של אפר. מתחת לשכבת הטיט נחשפה שכבת חרסים, שזיהויים קשה אך נראה כי רובם שייכים לקנקני עזה מהתקופה הביזנטית. שכבת החרסים הונחה על שכבה נוספת של טיט עמיד במים (כ-9 ס"מ עובי), שמעורבות בו אבנים קטנות (L2). מתחת לשכבה 2 התגלתה תשתית עבה של אבנים (L3; עובי 0.5 מ'), שהונחו בשלושה נדבכים זה על זה; בין האבנים הונחה שכבת טיט עמיד במים (3–4 ס"מ עובי). תשתית האבנים הונחה הישר על חול אדמדם (L4).
העיבוי שנבנה סביב העמודים והאומנות דומה באיכותו ובמרכיביו לאלה של מסד הבריכה. בסיסו של אחד העמודים נבדק, והתברר שמתחת לעמוד נבנה נדבך של אבני גזית ברוחב של שתי אבנים (איור 8). בצד מזרח, שם פורק העיבוי, בולטות האבנים כדי 0.15 מ' מן העמוד. בצדו הדרומי של העמוד לא זוהתה בליטה דומה של אבנים. הצדדים המערבי והצפוני של העמוד לא נבדקו. בצילומים שנעשו בבריכה בעבר נראה עמוד שהעיבוי בבסיסו נפגע, אך לא נראית מתחת לעמוד בנייה של אבני גזית הבולטות מרוחב העמודים (איור 4). גם בעמודים אחרים בהם נפגע העיבוי לא הובחן נדבך בולט של אבני גזית. עוד התברר בבדיקת בסיס העמוד כי רצפת הבריכה אינה ניגשת אל העמוד, וכי בין הרצפה לעמוד נותר רווח צר (3 ס"מ רוחב). נראה שמסיבה כלשהי, אולי כתוצאה מן השימוש בחלוקי אבן גיר, התקשו הבנאים לחבר את רצפת החלוקים לעמוד ולכן הם הותירו רווח. בשוליים של ריצוף החלוקים הובחנה הגבהה. נראה שהעיבוי מסביב לבסיס הקירות נבנה למנוע חלחול מים דרך הרווח ברצפה אל מתחת לעמוד.
 
שטח B (איורים 9–11). החפירה נערכה במיקום משוער של תעלה, שהזינה את בריכת הקשתות דרך הפתח הרבוע הגבוה שבקירה המערבי. תחילה הוסרו באמצעות מחפרון חלקים של מדרכה שנבנתה על חלק זה של גג הבריכה. במהלך פינוי המילוי מתחת למדרכה עקר המחפרון ממקומן שתי אבני גזית גדולות (0.3×0.3×0.6 מ'), שבקצה אחד שלהן בחלק התחתון חצובה מגרעת (1 ס"מ עובי). מתחת למדרכה התגלו שברי קערה (איור 12: 6) וקנקן (איור 12: 11), המתוארכים למאות הט'–הי' לסה"נ.  מתחת לתשתית המדרכה נחפרה הצטברות אדמה, ובה התגלה מטבע מן התקופה העות'מאנית (שלהי המאה הי"ט לסה"נ). מתחת להצטברות האדמה נחשפה שכבה של אבנים וטיט בגוון לבן-אפור המורכב מכמות רבה של סיד ובתוכו אפר וחרצני זיתים מפוחמים. שכבה זו השתרעה בחצי הדרומי של החפירה ועם פירוקה נחשפה בריכת שיקוע (L21; איור 13), התחומה בארבעה קירות (W104–W101), שנבנו באבנים מלוכדות במלט אפור וטויחו בטיח ורדרד עמיד במים. בריכת השיקוע אינה בנויה במקביל לבריכת הקשתות, וקירותיה המזרחי והמערבי גבוהים משני הקירות האחרים. עם חפירת בריכת השיקוע התברר ששכבת האבנים והטיט שנחשפה בריבוע היא למעשה קמרון שהתמוטט, שנשען במקור על הקירות הצפוני והדרומי של בריכת השיקוע. סימן הקמרון (הנגטיב) ניכר היטב לכל גובהו על קיר 102. בקיר 102 של בריכת השיקוע התגלה פתח של תעלה (0.44×0.57 מ') מטויחת בטיח ורדרד עמיד במים. פתח של תעלה נוספת (0.30×0.37 מ'), מטויחת באופן דומה, התגלה בקיר 101, והיא מוליכה אל הפתח הרבוע הגבוה שבתוך בריכת הקשתות. שתי התעלות היו מלאות באדמה. שני הפתחים שבבריכת השיקוע אינם ממוקמים האחד מול השני, ובשלב זה של המחקר לא ברור אם זה מכוון ומה הסיבה לכך. אפשר שזה נעשה כדי ליצור תנועה סיבובית של המים בבריכת השיקוע, או שהדבר נובע מאילוץ הקשור לכיוונה של התעלה המזינה. כמו כן התברר שכתוצאה מכך שבריכת השיקוע אינה מקבילה לבריכת הקשתות, התעלה המחברת ביניהן פונה בנקודה כלשהי לעבר הפתח הרבוע שבבריכת הקשתות. גם כאן עולה השאלה האם זה מכוון ומה הסיבה לכך. חפירת בריכת השיקוע לא הושלמה וקרקעיתה לא נחשפה.
בחפירת בריכת השיקוע התגלו שברי כלי חרס גדולים, שהושלכו למקום כנראה לאחר שהבריכה יצאה מכלל שימוש. חרסים אלה מתוארכים למאה הט' ולמחצית הראשונה של המאה הי' לסה"נ (ימי השושלת הטולונית), ובהם קערות (איור 12: 3–5, 7), קדרות (איור 12: 8, 9), סיר בישול (איור 12: 10), קנקנים (איור 12: 12–14) ופכי צלהב עדינים (איור 12: 15–17). נראה אם כן שבריכת השיקוע יצאה מכלל שימוש במהלך המחצית הראשונה של המאה הי' לסה"נ. תיארוך זה תואם לתיארוך הפסקת השימוש באמת המים מגזר (ר' חדשות ארכיאולוגיות 117). נראה כי השימוש באמת המים ובבריכת הקשתות נמשך כ-150 שנה, וכשאמת המים יצאה מכלל שימוש נעצרה גם אספקת המים לבריכת הקשתות.
מצפון לבריכת השיקוע נחפרה הצטברות אדמה (L22), ומתחתיה נחשף קיר אבן
(W100) שהשתמר לגובה נדבך יסוד אחד; הוא מושתת על אדמה. הקיר נבנה בכיוון שונה מכיוון הבנייה של בריכת השיקוע, והיא חותכת אותו בחלקו הצפוני. יתכן כי קיר 100 נפגע בעת עבודות שיקום של בריכת הקשתות שנערכו בשנת 1992 לאורך הקיר הצפוני של הבריכה. בחפירת הצטברות האדמה התגלו חרסים, עיקרם מן המאה הט' לסה"נ ושניים מהם מהתקופה האומאיית (המאה הח' לסה"נ), ובהם קערה מיצרית מחופה אדום (איור 12: 1) ופך אפור (איור 12: 2). נראה אם כן כי הקיר הוא חלק ממבנה שעמד במקום טרם בניית בריכת הקשתות.
 
מן החפירה עולה כי הושקע מאמץ גדול בבניית בריכת הקשתות ונעשה שימוש בחומרים באיכות גבוהה. נראה שבעת העתיקה הוליכה אל בריכת השיקוע תעלת מים שהייתה מחוברת אל אמת המים מגזר. כתוצאה מהפסקת השימוש באמת המים במחצית הראשונה של המאה י' לסה"נ פסקה אספקת המים לבריכת הקשתות וגם היא יצאה משימוש. לאחר חורבן רמלה ברעידת האדמה בשנת 1068 לסה"נ נותרה הבריכה מחוץ לעיר והוזנחה במשך מאות שנים.
באשר למקורם של המים החודרים כיום לבריכה דרך סדקים בקיר הבטון. הרעיון שמקורם כיום וגם בעת העתיקה במי תהום או במעיין שכבה סמוך שהכתיבו את מיקום הבריכה אינו סביר בהתחשב בתיעוד ההיסטורי ובנתונים המוכרים כיום באשר לעומק שכבת מי התהום. במקורות היסטוריים מהמאה הי' לסה"נ אמת המים אינה מוזכרת עוד, ונכתב כי אספקת המים של העיר נשענה על בורות מים וכי בארותיה עמוקות ומימיהן מלוחים (al-Muqadassi, Ahsah al-taqasim fi marifat al-Aqalim [De Gouja, ed.], Leiden 1906. P.164). לפיכך, לא סביר שהמקור של הבריכה בזמן זה הוא מי תהום מלוחים. על פי נתוני חברת מקורות, האקוויפר ממנו שואבים כיום מים באזור רמלה נמצא בעומק ממוצע של 40 מ' מתחת לפני השטח, כלומר, עמוק יותר מעומק הבריכה. בחיפוש אחר תשובה לשאלת מקור המים כיום, נלקחה דגימה של המים שחדרו לבריכה ודגימה של מי ברז מסביבת האתר. שתי הדגימות נשלחו לבדיקת מעבדה ונמצא כי קיימת ביניהן התאמה כמעט מלאה. לפיכך, ברור מעל לכל ספק כי מקור המים של הבריכה קשור למערכת אספקת המים העירונית. נראה שבקרבת הבריכה נוצר אקוויפר מקומי (אקוויפר שעון), המופרד מהאקוויפר האזורי, אליו חלחלו מים מדליפות בצנרת העירונית, מהשקיית גינות וכן מגשמים. מים אלו יכולים לזרום על האקוויפר גם ממרחק של מאות מטרים מן הבריכה ולאו דווקא מסביבתה הקרובה, והם אלה שמהווים את מקור המים של הבריכה כיום.