Die sog. Leonidaionthermen grenzen unmittelbar an die Süd- und Westflanke des Leonidaions. Sie wurden 1956 zum Teil freigelegt, wobei man zwei kleine Mosaikräume fand. Die Leonidaionthermen wurden von Alfred Mallwitz nach 200 n. Chr. datiert. Er nahm an, daß Anfang des 4. Jhs. im Rahmen einer umfassenden Restaurierungsmaßnahme die Mosaiken verlegt wurden. Neuere Untersuchungen unter Leitung von Ulrich Sinn zeigten, daß die Leonidaionthermen frühestens nach der Mitte des 3. Jhs. n. Chr., vielleicht sogar erst im frühen 4. Jh., errichtet wurden. Die Datierung der Mosaiken um 300 n. Chr. ist somit sehr wahrscheinlich.

Die Mosaiken weisen einen ornamentalen Dekor auf. Das nördliche Mosaik schmückt eine Rosette aus acht lanzettförmigen Blättern, die farbig gefüllt sind. Es dominieren die Farben Rot, Grün und Gelb. In den Ecken des Mosaiks befinden sich geschwungene Kelche, die drei schmale Lanzettblätter umfassen. Der Rahmen besteht aus Dreiecken mit abgetrepptem Rand. Die Komposition weist keine strenge Symmetrie auf.

Bei dem südlichen Mosaik ist einem Rechteck eine Raute eingeschrieben, in deren Mitte sich ein großer Kreuzstern befindet. Das Feld umgeben zwei Bordüren aus gezahnten, über Eck gestellten Quadraten.
Die beiden Steinteppiche unterscheiden sich deutlich in ihrer Farbigkeit. Bei dem nördlichen Paviment treten unter anderem Hellrot, Gelb und Türkis auf, während bei dem südlichen Dunkelrot dominiert.

1989 wurde ein westlich an die Mosaiken angrenzender Raum erneut ausgegraben und der Bodenbelag vollkommen gesäubert. In der Mitte eines einfachen Kieselestrichs befindet sich hier ein viereckiges, weißes Mosaikfeld mit einem roten Rahmen und einem schwarzen Quadrat in der Mitte. Der Boden wurde in antiker Zeit etwas nachlässig ausgebessert und ist heute etwa zu einem Drittel zerstört. Die Kombination von künstlich zugeschnittenen Steinwürfeln (Tessellae) mit natürlichen Kieselsteinen ist relativ selten. In Griechenland ist sie auch auf einem Mosaik in Patras anzutreffen

Bei Grabungen in den 90er Jahren unter Leitung von Ulrich Sinn wurden auf dem Gelände der Leonidaionthermen zwei weitere Mosaiken ausgegraben. Befund und Stil legen auch hier eine Datierung um 300 n.Chr. nahe. Das größere Paviment ist mit rot-blauen Kreuzblüten auf weißem Grund verziert. In den konkaven Vierecken befinden sich große Kreuzsterne, die ebenfalls alternierend in Rot oder Blau angegeben sind. Das rechteckige Schwellenmosaik ist mit dem geläufigen Motiv einer eingeschriebenen Raute ausgestattet.

E. Kunze, Olympiabericht VII (1961) 3f. Abb. 2; Ders., ADelt 16, 1960, Chron 129 Taf. 105,3; G. Touchais, BCH 105, 1981, 800; Mallwitz, Bauten a.O. (Startseite) 254; Ders., AW 19/2, 1988, 32. 41. 43; ARepLond 30, 1983-84, 28f. Abb.39-41: BCH 108, 1984, 768f. Abb. 54; A. Mallwitz - W. Schiering, Die Werkstatt des Pheidias in Olympia. OF V (1964) 107; U. Sinn u.a., Nikephoros 6, 1993,153ff.; Nikephoros 7, 1994, 229ff.; Nikephoros 8, 1995, 161ff.; Ders., AW 26, 1995, 155f.; Verf., Die kaiserzeitlichen Mosaiken in Olympia. Eine Bestandsaufnahme, in: VI Coloquio internacional sobre Mosaico antiguo. Palencia-Mérida, Octubre 1990 (1994) 135-147.