Coneguda l’existència de l’edifici per referències escrites i numismàtiques, aquestes fonts no en citen l’emplaçament exacte. L’historiador romà Tàcit esmenta que, després de la mort d’August (14 dC), una ambaixada hispana sol·licità permís a l’emperador Tiberi, l’any 15, per a aixecar el temple dedicat a August. Per les monedes se sap que la façana del temple presentava vuit columnes i estava aixecat sobre un pòdium. Les emissions monetàries representen, a més, l’estàtua sedent del déu August que es devia venerar a la cel·la del temple.
La determinació de l’emplaçament d’aquest temple ha estat un problema per a la història de la investigació. A partir dels indicis proporcionats per prospeccions geofísiques realitzades l’any 2007, al juny i al juliol del 2010 un equip d’arqueòlegs de l’Institut Català d’Arqueologia Clàssica, de l’Ajuntament de Tarragona i de l’Arquebisbat de Tarragona dugué a terme excavacions al subsol de la nau central de la catedral de Tarragona que posaren al descobert les restes d’un temple romà octàstil, probablement el de culte imperial de la província de la Hispània Citerior.
La façana era situada a partir de la meitat de la segona navada de la catedral medieval. Les restes exhumades corresponen a la fonamentació de l’edifici, formada per capes de pedra irregular lligades amb morter de calç i capes d’opus caementicium (barreja de pedra, fragments de terrissa i altres materials, i morter de calç). L’estructura documentada presenta uns 2,30 m de profunditat.
La fase inicial de les excavacions també posà al descobert diferents peces i fragments d’escultura decorativa de marbre i més de 200 fragments que formaven part de paviments, plaques o inscripcions. Les peces més rellevants són dos elements decoratius de marbre blanc procedents del Proconès (actual Turquia), transportats probablement per ordre de l’emperador Adrià, que sojornà a Tàrraco l’hivern dels anys 122-123 dC i sufragà la restauració del temple. També s’ha trobat un fragment de capitell corint.
Les evidències en favor que les restes corresponguin al temple d’August no han fet sinó augmentar, i a mitjan segona dècada del segle XXI l’atribució era gairebé del tot segura. Entre altres factors, ho corroborarien la posició topogràfica preeminent, que el temple és octàstil (de vuit columnes), la descoberta de marbre del Proconès o la plaça porticada circumdant amb un programa iconogràfic i simbòlic que imita el fòrum d’August de Roma. Hom comprovà també (2011) que l’emplaçament del temple coincidia amb l’ample de tota la nau central de la catedral i gran part de les laterals, i que la fonamentació dedicada al culte imperial d’August superava els 43 m de longitud. S’evidencià, així mateix, el desmantellament del temple a partir de la segona meitat del segle V. L’any 2015 les excavacions posaren al descobert una exedra romana (espai de culte) en una zona annexa al claustre de la catedral. Formava part de la plaça porticada que envoltava el temple d’August, i s’obria en un mur al sector nord-occidental de l’antiga plaça del temple, tenia una forma interna semicircular i disposava d’una coberta externa en forma de quart d’esfera.