Definitivamente abbandonata la città di Tharros, a partire dal 1070, Oristano divenne la nuova capitale del Giudicato d'Arborea (X secolo - 1410). Gli abitanti di Tharros, infatti, stanchi delle continue minacce ed incursioni dei pirati saraceni, decisero di trasferirsi più all'interno e giunsero così ad Oristano, centro abitato già esistente in epoca bizantina. Da subito la nuova capitale ebbe un sistema di difesa che fu potenziato alla fine del 1200 ad opera del re Mariano II. Questa è la ricostruzione della città di Oristano di fine Trecento, dotata di tre torri maggiori situate in prossimità degli ingressi principali della città e di 28 torrette minori di potenziamento della fascia muraria. A nord la torre di Mariano II, detta anche Porta Manna o Porta Pontis, a sud la torre di San Filippo, identica alla prima, collegata al palazzo di residenza del re e della sua corte, ad est la torre di Portixedda, piccola torre che nasce come le precedenti a base quadrata ma che ora si presenta a base circolare e con una forma tronco-conica, frutto di un rifascio avvenuto in epoca spagnola. Un fossato alimentato dalle acque del vicino fiume Tirso correva lungo la cinta muraria rendendo ancora più espugnabile questa città che, qui ricostruita, manifesta i più importanti edifici religiosi del periodo: la Cattedrale romanica di Santa Maria Assunta e il suo campanile a base ottagonale privo del “cipollone” in ceramica policroma aggiunto nel Settecento, il convento e la chiesa di San Francesco, l’ospedale giudicale, la chiesa di San Mauro, la chiesa a pianta quadrata del periodo bizantino intitolata a San Saturnino ed infine la chiesa e il convento delle monache di clausura di Santa Chiara.

Il plastico ricostruisce la città di Tharros al tempo dell’imperatore Costantino (principio del IV secolo d.C.). La città, di fondazione fenicia, viene riportata alla luce con i templi di Giove, Giunone e Minerva, le terme, l’acquedotto a due ordini di arcate, l’anfiteatro e il sistema viario. La città di Tharros è localizzata in un sistema di vallecole dominate dai bassi rilievi della Torre di San Giovanni e di Su Murru Mannu, che la riparano dal vento dominante di nord-ovest. In un’area urbanizzata forse già in età fenicia, ma sicuramente nel periodo cartaginese, la città fu abitata fino al principio del secondo millennio dopo Cristo. La viabilità risentì della geomorfologia del sito adeguandosi alle curve di livello, con l’eccezione del settore settentrionale dove in un momento indeterminato, forse già in età punica, furono tracciati due assi viari quasi rettilinei e paralleli che mettevano in comunicazione la città bassa con quella alta. L’urbanistica di Tharros non variò nettamente con l’avvento del dominio romano sullo scorcio del III secolo a.C. Evidenti misure di riqualificazione urbana si colgono esclusivamente in piena età imperiale, con il riassetto della fascia prospiciente il golfo di Oristano, dove sorsero due edifici termali intorno alla metà ed alla fine del II secolo d.C., mentre un terzo complesso termale fu realizzato in un’area retrostante le terme N.1 nel II-III secolo d.C. Un piccolo acquedotto che recava l’acqua alla città captandola da un pozzo d’acqua dolce sito a mezzo chilometro a nord di Tharros fu eretto verso il 200 a.C. Ancora in età imperiale avanzata fu costruita un'arena per i ludi gladiatori e per le venationes, sulla sommità del colle di Su Murru Mannu. Il porto, in età romana, sembra ubicato nel golfo di Oristano non lontano dall’area del complesso termale più settentrionale.