Selon Julien-Rémy Pesche, des portions de murs antiques avaient déjà été découvertes dans les années 1810 dans un champ près du manoir de la Cour, dans la vallée de l'Huisne en contrebas du bourg. En 1868, Léopold Charles signale les substructions, potentiellement antiques, visibles à la base des murs du manoir. Mais il faut attendre 1877 et 1897 pour que le site de la vallée soit fouillé, par MM. Mitsche et Fouque, propriétaires des terrains, et surtout deux érudits locaux, l'abbé Robert Charles (fils de Léopold) et le vicomte Samuel Menjot d'Elbenne (maire de Beillé). Un complexe de bains, comprenant bassin, piscines, salles sur hypocauste et salle froide, ainsi qu'un réseau de canalisations, est ainsi partiellement mis à jour, avant d'être recouvert.

La découverte de monnaies du Haut Empire (Vespasien, Domitien) lors des fouilles laisse supposer que ces thermes étaient en fonction au 1er siècle après J.-C. L'abbé Charles et Menjot d'Elbenne ont émis l'hypothèse qu'ils avaient pu être détruits lors des grandes invasions, à la fin du IIIe siècle ou au début du IVe siècle. Les matériaux furent sans doute remployés, notamment pour la reconstruction de l'église au XIe siècle. Une communication sur le sujet est réalisée en 1878 par l'abbé Charles au congrès archéologique de France. Menjot d'Elbenne publie les résultats de ses travaux et décrit très précisément ses observations dans la revue la Province du Maine en 1928. Les érudits concluent à des thermes publics et donc à l'existence d'une agglomération gallo-romaine assez conséquente à Sceaux.

Suite à de nouvelles découvertes sur d'autres sites comparables, les archéologues s'accordent aujourd'hui à penser plutôt, en l'absence d'autres vestiges d'une agglomération antique, que les thermes de Sceaux seraient les bains privés d'une villa, c'est-à-dire d'un grand domaine agricole, et non d'une agglomération. Ces vestiges sont très vraisemblablement à mettre en lien avec ceux qui subsistent dans le soubassement du manoir de la Cour à quelques dizaines de mètres, datables de la même époque. Le manoir se serait donc implanté sur une portion de la villa gallo-romaine dont la fonction reste encore inconnue. Selon l'archéologue Florian Sarreste, il aurait pu s'agir d'un pavillon jouxtant une entrée monumentale de la villa.

Quoi qu'il en soit, Sceaux-sur-Huisne, située sur une importante voie romaine reliant Le Mans et Chartres, est une commune riche en vestiges antiques. En effet, les substructions d'une autre villa gallo-romaine ont été mis au jour à la même époque près du château de Roche, à l'ouest du bourg. On a également retrouvé des reste de murs et de mobilier supposés antiques sur le site de l'ancienne chapelle Saint-Crespin, au nord du bourg, attribués à une troisième villa. L'implantation régulière de ces domaines agricoles à proximité de l'ancienne voie romaine est caractéristique.