Flevum gliedert sich in zwei Hauptphasen (Velsen 1 und Velsen 2), wobei die ältere Phase Velsen 1 noch einmal unterteilt wird (Perioden 1a bis 1c sowie Perioden 2a und 2b).
Die Funde der älteren Phase Velsen 1 datieren in die Zeit von 15±1 bis 28 n. Chr.
Als Periode 1a wurde das erste Kastell bezeichnet, das eher ein einfaches und temporäres Baulager war. Sein Grundriss war mehr oder weniger dreieckig und bedeckte eine Fläche von rund einem Hektar. Die Verteidigungsanlagen bestanden hauptsächlich aus einem Erdwall mit einem vorgelagerten, einfachen Graben. Eine Holzpalisade mit einem Holztor verteidigte den östlichen Teil des Flussufers. Dieses Lager hatte noch keine Hafenfunktionen, obwohl Schiffe auf dem sanft abfallenden Flussufer liegen konnten. Kurz darauf, in einer Übergangszeit zwischen den Perioden 1a und 1b (Periode 1a/1b), wurde der Holzzaun mit einem verstärkten Tor versehen. Dieses Hafentor gewährte Zugang zu einem kurzen offenen Steg, an dem größere Schiffe be- und entladen werden konnten, so dass sie nicht mehr aufs Land gezogen werden mussten.[6] Die Periode 1a ist numismatisch auf die Zeit von 14 bis 16 n. Chr. datiert und fällt damit in die Zeit der Offensiven des Germanicus, der wenige Jahre nach der clades Variana mehrere Vergeltungskampagnen in Germanien durchführte und wohl auch versuchte, das Land erneut und längerfristig zu erobern. Möglicherweise diente das Lager als Basis während dieser Feldzüge.[10]
In der Periode 1b ersetzte ein dauerhafteres Kastell von ähnlichem Grundriss das bisherige Lager. Die neuen Verteidigungsanlagen folgten fast genau dem Verlauf der vorherigen. Der Erdwall wurden nun durch einen kastenartige Konstruktion, eine so genannte Holz-Erde-Mauer ersetzt, die aus zwei parallelen Holzwänden bestand, die in einen Fundamentgraben eingelassen und miteinander verstrebt waren. Der etwa drei Meter breite Raum zwischen den Holzwänden wurde mit dem Aushubmaterial aus dem vorgelagerten Graben gefüllt. Die Holz-Erde-Mauer war mit einfachen Holztürmen versehen und vermutlich mit einem oder mehreren einfachen Toren, deren Grundriss nicht von dem der Türme zu unterscheiden war. Der östliche Uferbereich wurde nun ebenfalls mit einer (etwas schmaleren) Holz-Erde-Mauer versehen. In dieser Zeit wurden auch umfangreichere Hafenanlagen errichtet, die aus drei Molen (Westpier, Nordpier und Ostpier) und einer einzelnen Schiffshalle,[11] die mit einer Breite von 6,1 m und einer Länge von 22,1 m eine kleine Galeere hätte aufnehmen können.[6]
Nach nur wenigen Jahren machten sich die durch den Fluss längs des Kastells verursachten Erosionen bemerkbar und führten zu einer dadurch notwendig gewordenen Änderung der Hafenanlage. Die teilweise weggespülte Schiffshalle[11] wurde rund 30 Meter nach Süden versetzt und durch eine ähnliche Konstruktion von nahezu gleichen Abmessungen (6,4 m × 20,5 m) ersetzt. Das Kastell selbst scheint unverändert geblieben zu sein, abgesehen von einigen Reparaturen und kleineren Modifikationen. Am nordwestlichen Ende der Verteidigungsanlagen war beispielsweise ein Teil des ehemaligen Grabens durch die Erosion so sehr verbreitert worden, dass er mit einer schützenden Verkleidung versehen in ein Hafenbecken umgewandelt werden konnte. Im Westen des Kastells weisen die Überreste eines einzelnen Grabens, der parallel zum Flussufer verlief, auf einen umwehrten Arbeitsbereich außerhalb des Lagers.
Besonderes Interesse verdient ein kleines, befestigtes Lager auf der anderen Seite des Flusses, gegenüber dem Hauptlager. Es war mit einem kleineren Hafenbecken versehen, so dass hier Schiffe im feindlichen Territorium relativ sicher ankern konnten. Solche kleinen Brückenkopfkastelle sind ansonsten nur aus der spätantiken Zeit bekannt, als es längs des Rheins, der Iller und der Donau solche Anlagen gab, die den Römern erlaubten, Truppen an germanischen Ufern anzulanden.
Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass dieser Brückenkopf erst in der Periode 2 errichtet wurde oder zumindest in dieser noch in Gebrauch war.[6]
Das Kastell der Perioden 1b/1c wurde möglicherweise für eine kurze Zeitspanne aufgegeben. Die zweite Periode begann wiederum mit einem Baulager. Die Verteidigungsanlagen hatten diesmal einen ovalen Grundriss und bestanden wieder aus einem Erdwall mit einem einzelnen vorgelagerten Graben. Die Hafenanlagen aus der vorherigen Periode (mit Ausnahme der Schiffshalle[11]) sowie die Holz-Erde-Mauer längs der östlichen Uferpromenade wurden in das neue Lager integriert.[6]
In der Periode 2b erhielt die Festung ihre endgültige Trapezform. Im Osten folgten die Verteidigungsanlagen denen der Periode 2a, aber westwärts wurden sie bis zur Linie der westlichen Holz-Erde-Mauer der Periode 1b/1c verlängert. Die neue Verteidigungsanlage bestand aus einem Erdwall mit Holztürmen und mindestens einem doppelflügeligen Holztor im Westen. Die Anlage war nun von drei Gräben umgeben.
Die gesamte Ufergestaltung blieb unverändert. Im Hafen ersetzten offenen Anlegestellen die massiven Molen aus der Periode 1. Hinzu kam eine zusätzliche Anlegestelle östlich außerhalb der Umwehrung. Diese neue Anlegestelle wurde von einer stabilen, hölzernen Plattform aus kontrolliert, die an das östliche Ende des Erdwalls angefügt wurde. Im Westen (und vielleicht auch im Süden und Osten) der Garnison wurde ein neuer Einzelgraben ausgehoben, durch den ein größerer, geschützter Arbeitsbereich entstand, in dem zum Beispiel Schiffsreparaturen vorgenommen werden konnten. Ferner wurde ein vierter Schiffsanleger und eine neue, diesmal doppelt so große (12,2 m × 29,7 m) Schiffshalle[11] errichtet. Auffällig ist ein großer Brunnen mit einem Grundriss von drei mal drei Metern. Von diesem Brunnen aus wurde frisches, sauberes Wasser zur Schiffshalle geleitet.
Am Ende der Periode 2b, im Jahr 28, wurde das Kastell von den Friesen angegriffen.[12] Wahrscheinlich haben die Angreifer nicht das Lager selbst, sondern den Arbeitsbereich außerhalb des Kastells eingenommen, wofür die Verteilung von Bleigeschossen spricht. Aber auch wenn das Militärlager selbst unbeschädigt blieb, stellte der Verlust des Arbeitsbereichs ein Problem dar, schließlich befanden sich dort die Schiffshalle[11] und der wichtigste Brunnen. Die Römer haben Velsen 1 nicht sofort verlassen, aber sie mussten eine Lösung finden, um den unzureichenden Verteidigungsmöglichkeiten des Arbeitsbereichs zu begegnen. Dies gelang ihnen, indem sie die bisherigen Verteidigungsanlagen durch solche ersetzten, die denen der Hauptfestung entsprachen und beide Anlagen miteinander verbanden. Die Verbindung bestand aus einem mit Türmen versehenen Erdwall, dem zwei sehr tiefe Gräben vorgelagert waren. Dendrochronologisch wurde die Anlage etwas später als 28 n. Chr. datiert. Wie lange die Besetzung von Velsen 1 dauerte, ist unklar. Möglicherweise wurde dieses Lager um das Jahr 40 (37 oder später) noch einmal als vorübergehende Basis genutzt, um Velsen 2 zu errichten.[6]
Es ist denkbar, dass im Jahr 28 n. Chr. hier die Vexillatio V Alaudae III (3. Detachement der 5. Legion mit dem Beinamen „Die Haubenlärchen“) stationiert war, wofür der Fund eines entsprechenden Inschriftensteins (V(exillationis) V A(laudae) III[13]) spricht. Bekannt ist, dass die Legio V Alaudae unter ihrem Legaten Cethegus Labeo am Feldzug des Statthalters Lucius Apronius gegen die aufständischen Friesen beteiligt war, oder zumindest an der Belagerungsschlacht (siehe folgenden Abschnitt) teilgenommen hat[14][15].
Von Tacitus stammt die Überlieferung des Aufstandes der Friesen im Jahr 28 n. Chr.[12] der zum Teil durch die archäologischen Funde aus und Befunde in Velsen bestätigt wird.
Tacitus berichtet, dass die Friesen im Jahre 28 „den Frieden verlassen hätten“, was aber weniger durch deren Schuld, als vielmehr bedingt durch römische Habgier geschehen sei. Drusus der Ältere hätte seinerzeit den Friesen eine akzeptable Steuerlast, bestehend aus der Lieferung von Ochsenhäuten für militärische Zwecke, auferlegt, ohne dass deren Beschaffenheit näher präzisiert worden wäre. Dies habe so lange nicht zu Beanstandungen geführt, bis Olennius mit der Steuereintreibung beauftragt worden wäre. Dieser legte nun Qualitätsmaßstäbe an, wie sie im restlichen Germanien wohl zu realisieren gewesen wären, aber vom ärmlichen Land der Friesen nicht erbracht werden konnten.
Velsen 2 befand sich in einer Entfernung von rund 750 m Luftlinie nordwestlich von Velsen 1. Wie das Vorgängerlager Velsen 1 besaß es eine kombinierte Funktion als Truppenlager und Flottenbasis, wobei der Anteil militärischer Funde, insbesondere der an Waffen bis hin zur Ballista deutlich höher war. Das Lager wies über die kurze Zeit seiner Existenz drei Bauphasen auf. Ausweislich dendrochronologischer Datierung wurde es aus Holz errichtet, das im Jahr 39 gefällt worden war. Dann wurde es mit Hölzern verstärkt deren Fälldatum im Winter 42/43 lag.[16]
Jüngste Nachforschungen durch den Entdecker, den niederländischen Archäologen Arjen V. A. J. Bosman im Dezember 2021 führten zu der Erkenntnis, dass es sich bei Velsen 2 nicht um ein kleineres Kastell handelt, etwa in der Größe eines Auxiliarlagers, wie man zuvor angenommen hatte, sondern mit einer anzunehmenden Fläche von rund 11 Hektar um eine deutlich größere Anlage. Groß genug, um eine Vexillation in der Größe einer halben Legion, also rund 3000 Mann aufzunehmen. Aufgrund der gewonnenen Datierungen und der Größe des Lagers vermutet Bosman einen Zusammenhang mit den unter Caligula 39/40 gescheiterten und auf Befehl des Claudius schließlich von Aulus Plautius im Jahr 43 erfolgreich durchgeführten Plänen zur Eroberung Britanniens. Möglicherweise spielte Flevum auch eine Rolle in dem Feldzug des Aulus Gabinius Secundus gegen die Chauken (41).[17]
Bereits 47 – vermutlich im Zusammenhang mit der Stabilisierung der Rheingrenze unter Gnaeus Domitius Corbulo – scheint die Garnison ihre Funktion und Bedeutung verloren zu haben und das Kastell (sukzessive) aufgegeben worden zu sein, auch wenn die römische Präsenz vor Ort noch einige Jahre lang bezeugt ist.[16]