Il Cisternone, imponente edificio in stile neoclassico, fu progettato dall'architetto aretino Pasquale Poccianti ed inaugurato dal Granduca Leopoldo II di Lorena nel 1842. La grande cisterna, la cui costruzione fu iniziata a partire dal 1828, doveva filtrare l'acqua proveniente dalle sorgenti di Colognole e garantire, in caso di guasti dell'acquedotto, l'approvvigionamento idrico della città. La cisterna misura 38 metri in larghezza, 42 in lunghezza e ha una capienza di 11.000 metri cubi.

«Varcato l'ingresso – così descrive l'edificio Giuseppe Piombanti, nella sua Guida di Livorno – si entra in un atrio semicircolare. Nella stanza a sinistra sbocca da un grosso tubo di ghisa, che giunge fino al Cisternino di Pian di Rota, l'acqua di Colognole, e, sotto l'atrio stesso, sono i canali che al Cisternino la conducono e alle altre fonti. Dinanzi alla porta centrale dell'atrio si estende la grande cisterna di cinque navate in larghezza e sette in lunghezza; l'ultima delle quali, essendo separata per un muro intermedio, riceve la prima le acque, serve di purgatorio alle medesime, e poi le getta nel deposito interno».

L'edificio, recentemente restaurato, presenta sulla facciata una caratteristica cupola dimezzata. Una curiosità: le vicende costruttive dell'apparato idrico livornese sono celebrate in un bassorilievo scolpito sulla base della statua eretta in onore del Granduca Ferdinando III di Lorena in piazza della Repubblica. La statua fu realizzata dallo scultore di Portoferraio Francesco Pozzi fra il 1831 e il 1837, mentre il bassorilievo, che raffigura il Granduca che sollecita la costruzione dell'acquedotto di Colognole, è del livornese Temistocle Guerrazzi. L'altro bassorilievo, che mostra Ferdinando III promotore di arti, industria e commercio, è stato scolpito dal fiorentino Ulisse Cambi.