Nel periodo punico, che cominciò con la conquista cartaginese nella seconda metà del VI sec.a.C. e si concluse con quella romana nel 238 a.C., Tharros raggiunse un notevole sviluppo urbano e importanza politica testimoniati anche dalla notevole ricchezza dei corredi rinvenuti nelle tombe a camera risalenti a quest'epoca, i cui gioielli d'oro alimentarono una riprovevole caccia al tesoro che distrusse numerose tombe e testimonianze. Nell'area urbana attualmente visitabile il maggior monumento visibile risalente a quest'epoca è il Tempio delle Semicolonne Doriche, parzialmente intagliato nella roccia e decorato da semicolonne scolpite in rilievo. Sono inoltre visibili alle pendici della collina di Muru Mannu i resti della cinta muraria urbana, che costruita alla fine del VI secolo, subì vari rifacimenti in età romana.
In età romana la città continuò a prosperare, raggiungendo il massimo splendore nel III sec.d.C. circa, periodo al quale risalgono i più monumentali edifici pubblici. Tra essi sono da ricordare i due edifici termali, entrambi situati a ridosso del mare: le cosiddette terme n.1, nelle quali fu in seguito impiantato il battistero paleocristiano, di cui ancora oggi si può vedere il fonte battesimale, e le terme dette di Convento Vecchio, più monumentali delle precedenti. Tra i templi romani, oltre quello sorto sul precedente tempio delle semicolonne doriche, parzialmente riutilizzandone il materiale edilizio, quello che colpisce il visitatore moderno è senz'altro il tempio tetrastilo sul mare, del quale due colonne restano ancora in piedi. Camminando lungo i maggiori assi viari della città romana, il Cardo Massimo e il Decumano Massimo, molto ben conservati, è inoltre possibile vedere le antiche botteghe e le case che popolavano la città nel pieno del suo sviluppo. Caratteristiche sono le cisterne, di cui erano dotate quasi tutte le abitazioni e che a Tharros, come in molte altre città che furono puniche prima che romane, sono del tipo detto a bagnarola.
La città di Tharros fu abbandonata definitivamente attorno all'anno mille, dopo vari secoli di declino, perchè troppo esposta agli attacchi pirateschi.