התגלית הארכאולוגית הקדומה ביותר שנמצאה בעיר מעידה על כך שהאיים שהיו בסביבת הפוליס, היו מאוכלסים כבר בין השנים 3500-3000 לפנה"ס. התיישבויות אלה היו, בעיקר, סמוך למעיינות ושיפועים גיאותרמיים, בקרסט ובאזורים נמוכים, שאפיינו את אזור זה. האיים הללו יושבו, ככל הנראה, בשל משמעותם האסטרטגית. הם היו על נתיב יבשה שהוגן על ידי מדרונות. נתיב זה נמצא בפתחו של עמק נהר הבויוק מנדרס, שזרם בקרבת העיר.
תקופת הברונזה
ההיסטוריה המתועדת של הפוליס התחילה בשלהי עידן הברונזה. מעדויות שנצטברו בתקופה ההיא, שנקראה התקופה המיקנית, הוזכרו הערים הפולייס היווניות פילוס וקנוסוס. כמו כן, הוזכרה עלייתם של החתים. הארכאולוגיה הפרה היסטורית של תקופת הברונזה המוקדמת והתיכונה, מצביעה על כך, שהפוליס בתקופה זו הושפעה במידה רבה מתרבות חיצונית שהייתה סביב הים האיגאי, ולאו דווקא מתרבות מקומית.
התקופה המינואית
משנת 1900 לפנה"ס, חפצים רבים שאפיינו את התרבות המינואית החלו להיסחר במילטוס. במשך מאות השנים הבאות, קיבלה הפוליס מילטוס השפעה חזקה מתרבות זו, בעיקר בשל מיקומה. ממצאים ארכאולוגיים אלה עשויים לבסס את המיתוס, לפיו, זרם מהגרים מאזור האי כרתים הוא שהביא להתפשטותה של התרבות המינואית באזור העיר.
לפי דבריו של ההיסטוריון היווני סטראבון, מילטוס הייתה הפוליס המבוצרת הראשונה שנבנתה מעל גובה פני הים על ידי תושבים מכרתים, היכן שהוקמו התיישבויות מוקדמות יותר על האי. בהתיישבויות אלה התגוררו עמים יווניים קדומים. תיאור זה של העיר מילטוס הוא, כנראה, הקרוב ביותר למציאות, מפני שזו הייתה גישתם של ההיסטוריונים היוונים הקדומים ביותר.
העיר הוקמה על לשון-יבשה המוקפת מצדדיה המערביים והמזרחיים בים האיגאי; פני-השטח בסמוך לצדה של העיר הפונה אל היבשת הרריים, ולכן כלכלתה התבססה בעיקר על מסחר ימי, כפי שמתברר לפי הממצאים ממנה. עד הפלישה הפרסית ב-494 לפנה"ס, שבה הוחרבה עד היסוד, מילטוס הייתה החשובה ביותר, וככל הנראה גם הגדולה ביותר, מבין 12 הערים האיוניות. בצדה המערבי נבנו שלושה נמלים, אך הנמל המרכזי שלה - "נמל האריה" - מוקם בצדה המזרחי, ומשלושת צדדיו הוקמו מזחים, מחסנים וחנויות. האגורה הצפונית של מילטוס מוקמה מצדו הדרומי של נמל האריה, והיא הגדולה ביותר שנחשפה עד היום (שטחה 164 על 196 מטרים)[2]. בסמוך לה נמצאת האגורה הדרומית. בעקבות התמלאות המפרץ בסחף נהר מאנדר נותקו נמלי מילטוס מן הים[3].
ממקדש אתנה, שנבנה ככל הנראה עשורים ספורים לאחר חורבן העיר בידי הפרסים, שרדו רק היסודות העשויים מאבני גנייס גדולות. שטח בסיסו 30 על 18 מ'. בשונה מרוב המקדשים, הוא נבנה על ציר צפון-דרום. שרידים של תרומות דתיות ושל כלים אחרים מעידים על כך שהמקדש נבנה על מקומו של מקדש קדום יותר מהתקופה הארכאית או אף מתקופה קדומה יותר[2][4]. בנמל האריה שכן מקדש אפולו, שכונה "הדיפיניון", וממנו יצאה כל שנה באביב תהלוכה לדידימה. המיתולוגיה קושרת את אפולו ליורדי הים, ולכן הוא נחשב לא רק לאל המגן על הנמל בו מוקם מקדשו, אלא לפטרונם של המתיישבים היווניים באסיה הקטנה[5].
האצטדיון של מילטוס נבנה במאה החמישית לפנה"ס, כחלק מתוכניתה המקורית של העיר. רוחבו כ-29 מ' ואורכו כ-120 מ', בדומה לאצטדיון שבאולימפיה. מבין שני שערי ההזנקה שהשתמרו בו, אחד מהם בבירור השתמר מהתקופה ההלניסטית (ולא הוחלף בידי הרומאים). התיאטרון מוקם על גבעת האקרופוליס של העיר; שרידיו הנראים למבקר בעיר כיום הם תוצאה של שיפוץ משמעותי מהתקופה הרומית. התיאטרון היה הגדול ביותר באסיה הקטנה, ויועד עבור 150,000 צופים; הוא חולק לשלוש רמות, בכל אחת מהן 20 שורות מושבים.
הנימפאום, שמוקם באזור האגורה הדרומית, השתמר היטב: מהממצאים ניתן להגיע לשחזור מדויק יחסית של קומתו הבסיסית (מתוך שלוש שכנראה היו בו). רוב קישוטיה המפוסלים של המזרקה נשארו במילטוס (השאר נלקחו למוזאונים). פסלי אלים ואלים-למחצה קישטו את הגומחה, שהזכירה מעט בצורתה תיאטרון; האפריז קושט בעיטורי גפנים. המים נשפכו מתשע גומחות אל כיור שעמד בבסיסה של המזרקה. על הנימפאום השתמרה כתובת בלטינית, שנכתבה לכבודו של טראיאנוס, שהיה מושל אסיה בשנים 79–80 לספירה. באזור האגורה הדרומית היה ממוקם גם בית המועצה (הבולאוטריון (אנ')). בכניסה אליו היה שער מפואר (פרופיליאון (אנ')); כתובת שנחשפה בו מציינת שהוא נבנה על ידי שני אחים, טימארכוס והרקליאדס, לכבודו של אנטיוכוס הרביעי.
התיאטרון של מילטוס מוקם בסמוך לגבעה שבתקופות הקלאסית וההלניסטית היוותה את האקרופוליס של מילטוס; כיום נשתמרה צורתו לאחר השיפוץ שעבר בתקופה הרומית. אורכו היה כ-140 מטר, והיו בו מקומות לכ-15,000 צופים. מקומו המרכזי מצביע על החשיבות הרבה שהייתה לו עבור תושבי מילטוס.
מרחצאות פאוסטינה - שנקראו על-שמה של אשתו של מרקוס אורליוס - הן המבנה שהשתמר במילטוס בצורה הטובה ביותר. ככל הנראה בגלל שהוגלתה לעיר בשנת 164 לספירה, היא תרמה בנדיבות לבניינם של המרחצאות, ואולי גם לבנייתו של התיאטרון. המרחצאות מוקמו ונבנו שלא לפי תוכניתה המקורית של העיר: המבנים מחוץ למרכז העיר מלבדם נבנו לפי כיווני ארבע הרוחות.
