Le Colisée utilise plusieurs matériaux. Le principal est le travertin, une pierre calcaire, le marbre, pour des décorations, le tuf, une roche volcanique, la brique, et la chaux pour les liaisons. On s'est servi aussi de métal, essentiellement de bronze, pour lier les pierres entre elles.
Travertin
Le travertin est une pierre calcaire sédimentaire, on la trouve là où autrefois il y avait des cours d'eau, des sources, des lacs. La région romaine est riche de telles pierres. Elle a pour caractéristique d'être beige et particulièrement résistante. Celle qui a servi à la construction du Colisée provenait de la ville de Bagni di Tivoli, autrefois Tibur. C'est la pierre majoritaire au Colisée, le matériau de base.
Marbre
La plupart des décorations du Colisée était en marbre, mais elles ont quasiment toutes disparues, ayant été réutilisées dans la construction d'autres bâtiments à Rome. Les entrées de la cavea étaient décorées de pièces de marbre ainsi que les balustrades. Cette pierre a aussi été utilisées comme siège pour les 3 premières rangées, ceux réservés à la classe sociale la plus aisées. A l'extérieur, les colonnes avaient des chapiteaux en marbre, et certaines base de colonnes étaient aussi dans cette matière. Enfin il était aussi utilisé à différents endroits particuliers : Pour des tympans, des frises, etc.
Il semble que le marbre ait été utilisé dès la construction du Colisée, mais ce sont les rénovations ultérieures qui en rajouteront. C'est souvent que l'on fera du réemploi de pièces, à partir du IIIe siècle. Ainsi certaines pièces de marbre étaient préalablement utilisées pour d'autres constructions avant de finir ici.
Bronze
Le Colisée utilise aussi du métal dans sa structure, mais de nos jours il a disparu. C'était essentiellement du bronze, mais on employait aussi du fer. Le métal, une fois chauffé, était étiré en barre puis courbé en forme de U. Adapté à des trous creusés volontairement dans les pierres de la façade, ces structures servaient d'agraphes pour aider à maintenir le Colisée debout. Les premiers incendies ont eu raison de ces agraphes qui furent peu à peu récupérées pour être fondues. De nos jours il ne nous reste que les trous dans les pierres, vestiges de cette originalité dans la construction.
Tuf
Le tuf est une roche volcanique formé des scories qui se sont agglomérés avec l'humidité. La région de Rome est riche en tuf, il en existe de différentes variétés, chacune ayant sa couleur. Cette pierre n'est pas spécialement dense, utilisée en construction elle apporte un peu d'élasticité. Le tuf qui fut employé initialement n'était pas résistant au feu ce qui fait que le Colisée fut fortement endommagé lors des premiers incendies. Les réparations du IIIe siècles furent faites avec une variété de tuf résistante aux flammes... ce qui n'empécha pas le monument de brûler à plusieurs reprises !
Briques
La brique est une pièce de base dans la construction romaine. Elle est fabriquée avec de l'argile mélangé à de l'eau, de la paille ou de la pouzzolane. Une fois cuite elle pouvait être empilée avec du mortier pour élever des murs qui ne demandaient pas une grande résistance à l'écrasement ou en guise de tuiles. Les murs intérieurs du Colisée employent à grande échelle la brique.
Chaux
La chaux est un produit issu du brûlage du calcaire à haute température, le produit ainsi fait est nommé chaux vive. Il suffit d'ajouter de l'eau pour obtenir une masse visqueuse utilisable en architecture, elle sert de liant pour le ciment. C'est ainsi que les romains fabriquaient leur ciment.
