Con la conquista cartaginese nella seconda metà del VI sec. a. C. iniziò il periodo punico. Tharros raggiunse un notevole sviluppo urbano e importanza politica.  Nell'area urbana è attualmente visitabile il maggior monumento visibile risalente a quest'epoca: 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 a. C., subì vari rifacimenti in età romana.
In età romana dall'anno  238 a. C., la città continuò a prosperare, raggiungendo il massimo splendore nel III sec. d. C. circa, periodo al quale risalgono gli edifici pubblici più monumentali . Tra essi sono da ricordare i due edifici termali, entrambi situati a ridosso del mare. Tra i templi romani, oltre a 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.