Το κοίλο του θεάτρου διέθετε βορειοδυτικό προσανατολισμό, δηλαδή είχε θέα προς την πόλη και τη θάλασσα. Η ύπαρξή του αναφέρθηκε πρώτη φορά από τον Ιπποκράτη, ο οποίος διέμενε στη Θάσο στα τέλη του 5ου αι. π.Χ. Την ίδια περίοδο στην περιοχή της Θάσου διέμενε και ο κωμικός ηθοποιός και συγγραφέας Ηγήμων, εισηγητής της παρωδίας, θεατρικού είδους. Δε γνωρίζουμε αν το κλασικό θέατρο βρισκόταν στο ίδιο σημείο της πόλης με το ελληνιστικό. Ο μεγάλος μαρμάρινος αναλημματικός τοίχος, ο οποίος βρέθηκε κάτω από το δάπεδο του προσκηνίου, δεν είναι σίγουρο αν ανήκε σε θέατρο κλασικών χρόνων.

Η παλαιότερη διαπιστωμένη οικοδομική φάση του θεάτρου της Θάσου ανήκει στις αρχές της ελληνιστικής περιόδου ( τέλη 4ου / πρώτο τέταρτο 3ου αι. π.Χ.). Το διώροφο κτίσμα του 3ου αι. π.Χ. διέθετε μαρμάρινη πρόσοψη και ένα προσκήνιο, αποτελούμενο από μία σειρά δώδεκα κιόνων, τοποθετημένων μεταξύ δύο παραστάδων. Οι κίονες του οικοδομήματος έφεραν ραβδώσεις, καθώς και εγκοπές για την τοποθέτηση πινάκων (ζωγραφισμένα ξύλινα πλαίσια που αποτελούσαν το σκηνικό βάθος κάθε παράστασης). Στην κιονοστοιχία του προσκηνίου στηριζόταν η ξύλινη εξέδρα του λογείου. Στο δεύτερο όροφο της σκηνής υπήρχε κιονοστοιχία μικρότερου βάρους, από την οποία διασώθηκαν αρκετά αρχιτεκτονικά μέλη.