Le bâtiment est en briques, revêtu de plaques de marbre blanc de Carrare, et mesure 36,40 mètres de haut pour une base de 29,50 mètres de large. A l'intérieur se trouve la chambre funéraire, un simple petit caveau rectangulaire de 5,95 mètres de long, 4,10 de large et 4,80 de haut, voûté en plein cintre, dont les murailles recouvertes de stuc portent des peintures très abimées.

Une dédicace est gravée sur les faces Est et Ouest de la pyramide de manière à être visibles des deux côtés :
" C(aius) Cestius L(uci) f(ilius) Pob(liliatribu) praetor, tribunus plebis, (septem) vir epolonum ", Caius Cestius, fils de Lucius, de la Tribus Publilia, préteur, tribun du peuple et Septemvir epulonum
Une deuxième inscription mentionne que le monument fut érigé en 330 jours sous la surveillance de son héritier Lucius Pontius Méla, fils de Publius, et de l'affranchi Pothus.

La pyramide fut incorporée à l'enceinte des murs auréliens au III° siècle. Les travaux commencèrent vers 272 et durèrent onze ans jusqu'au règne de Probus (276-282). Le mur comportait un soubassement en blocage (opus caementicium), haut d’environ 8 mètres, surmonté de chambres voûtées appuyées contre un mur extérieur de un mètre d’épaisseur. Un chemin de ronde couronnait l’édifice. Les chambres servaient de salle d’armes et de magasins, et diminuaient le volume à construire. Tous les 30 mètres une tour quadrangulaire faisait saillie.

L’enceinte fortifiée n’était pas destinée à résister en cas d’un long siège, ce que les barbares n’étaient pas capables de réaliser, mais seulement à préserver Rome d’une attaque soudaine en attendant une armée de secours. Le tracé s’appuya un certain nombre de monuments existants, tels que la caserne de la garde prétorienne, un petit amphithéâtre, des tombeaux dont la pyramide de Cestius, les arches des aqueducs sur l’Esquilin, les substructions des jardins en terrasses sur le Pincio.

Les origines de la pyramide ont été oubliées au cours du Moyen-Age. Les habitants de Rome pensaient alors que c'était le tombeau de Remus et que son homologue à proximité du Vatican était celui de Romulus. Sa véritable origine fut clarifiée par le pape Alexandre VII lors des fouilles des années 1660, quand la végétation envahissante fut enlevée et que l'on découvrit les inscriptions.  Le tombeau était scellé, et pour y accéder, il fallut creuser un tunnel et ouvrir une petite porte sur le côté Ouest.

Près de la pyramide s'ouvre la Porte Ostiense, d'où sortait la Via Ostiensis, route qui reliait la ville avec le port d'Ostie. Elle prit le nom de porte Saint-Paul, en référence à l'église voisine. C'est par cette porte que Totila, ou Baduila l'Immortel, roi ostrogoth, entra en 546 dans Rome.