La prima naumachia conosciuta è quella organizzata da Giulio Cesare a Roma nel 46 a.C. per il suo quadruplice trionfo.
Dopo aver fatto scavare un ampio bacino vicino al Tevere, nel Campo Marzio, capace di contenere vere biremi, triremi e quadriremi, ingaggiò tra i prigionieri di guerra 2000 combattenti e 4000 rematori.
Nel 2 a.C., per l'inaugurazione del tempio di Marte Ultore, Augusto diede una naumachia che riproduceva fedelmente quella di Cesare. Come ricorda egli stesso nelle Res gestæ, fece scavare sulla riva destra del Tevere, nel luogo denominato "bosco dei cesari" (nemus Caesarum), un bacino dove s'affrontarono 3000 uomini, senza contare i rematori, su 30 vascelli con rostri, e molte unità più piccole.
I combattenti erano dei condannati a morte e si sa che i naumachiarii (combattenti nella naumachia) prima della battaglia salutavano l'imperatore con una frase divenuta famosa: Morituri te salutant.

La naumachia più conosciuta è quella di Augusto essa doveva misurare circa 533 x 355 m. Plinio afferma che al centro del bacino, molto probabilmente di forma rettangolare, si trovava un'isola collegata all'argine con un ponte.
Il bacino doveva avere una profondità di circa 1,5 m, quella minima per permettere alle navi di galleggiare, e pertanto una capacità di circa 200.000 m3: l'acquedotto dell'Aqua Alsietina, appositamente costruito da Augusto per la sua alimentazione, poteva riempirlo in 15 giorni e un canale navigabile permetteva l'accesso alle navi provenienti dal Tevere, oltrepassato da un ponte mobile.

Considerando le dimensioni del bacino e quelle d'un trireme (35 x 4,90 m circa), la trentina di vascelli utilizzati non dovevano avere molto margine di manovra sull'acqua. Inoltre, sapendo che l'effettivo d'un trireme romano era di circa 170 rematori e tra i 50 o 60 soldati imbarcati, un rapido calcolo permette di concludere che per raggiungere una cifra di 3000 uomini, i vascelli della naumachia d'Augusto dovettero portare molti più combattenti d'una vera flotta.
Una larga conduttura scoperta sulle pendici del Gianicolo al di sopra della chiesa di San Cosimato costituisce la prima testimonianza archeologica sulla localizzazione della naumachia. Un'altra ipotesi sulla localizzazione esatta del monumento lo situa tra la via Aurelia a nord e la chiesa di San Francesco a Ripa a sud-est, in corrispondenza di un'ansa del Tevere. Il viadotto repubblicano sulla via Aurelia vicino a San Crisogono potrebbe essere servito da canale di scarico per l'invaso.