Das Panathinaiko-Stadion befindet sich an der Stelle eines antiken griechischen Stadions und war viele Jahrhunderte lang Austragungsort von, wie wir heute sagen würden, Turn- und Leichtathletik-Wettbewerben. Die Turnwettkämpfe, die seit langem an einem weit von der Stadt entfernten Ort veranstaltet wurden, wurden 566/565 v. Chr. in das Programm der Panathenäischen Feste aufgenommen. Als der Redner Lykurgos 338 v. Chr. die Regelung der Finanzen der Stadt Athen übernahm, nahm er den Bau eines Stadions in die Ausführung öffentlicher Arbeiten auf. Der ideale Standort war die Schlucht zwischen dem Ardittos-Hügel und dem gegenüberliegenden niedrigen Hügel, außerhalb der Stadtmauer, in idyllischer Lage an den ruhigen Ufern des Ilisos. Das Gelände befand sich in Privatbesitz, wurde aber vom Eigentümer von Dinias für den Bau des Stadions zur Verfügung gestellt. Große Erdwälle verwandelten die Schlucht in ein Spielfeld mit den Merkmalen des griechischen Stadions: in Form eines Parallelogramms mit einem Eingang an einer Schmalseite und Sitzplätzen für die Zuschauer an den Erdwällen der anderen drei Seiten. Das Stadion von Lykurgos wurde zum ersten Mal 330/329 v. Chr. bei den Megala Panathenaia für die Turn-Wettkämpfe genutzt.
In römischer Zeit hatte die Stadt Athen keine politische Macht mehr. Einen neuen intellektuellen und künstlerischen Aufschwung erlebte sie jedoch während der Herrschaft Hadrians zwischen 117 – 138 n. Chr. In dieser Zeit lebte der Redner und Sophist Herodes, der Sohn des Atticus, der einen Teil seines großen Vermögens für den Bau prächtiger Gebäude in vielen Heiligtümern und Städten des Römischen Reiches verwendete. Herodes Großzügigkeit ist es zu verdanken, dass in den Jahren 139 – 144 n. Chr. wichtige Bauarbeiten im Stadion durchgeführt wurden, die zwei wesentliche Änderungen an der ersten Form mit sich brachten: die Umwandlung der ursprünglichen geradlinigen Form in eine Hufeisenform mit Hinzufügung einer Schleife, einer charakteristischen Form der griechischen Stadien in römischer Zeit, und die Überdachung der Zuschauerplätze, des Theaters, mit Sitzreihen aus weißem pentelischem Marmor. Ein gewölbter Gang unter dem östlichen Wall führte zur Rückseite des Stadions. In der Arena markierten Marmorplatten die Start- und Ziellinie. Die Doppelhermes-Säulen waren ein fester Bestandteil des Spielfelds. Der Eingang hatte ein Propylon im korinthischen Stil. Eine dritte Marmorbrücke über den Fluss Ilisos ermöglichte einen einfachen Zugang von der Stadt aus. Der gesamte Bereich und insbesondere die Stoa auf der Höhe der Schleife war mit Marmor-, Bronze- und sogar Goldstatuen geschmückt. Auf dem Gipfel des Ardittos wurde der Tempel der Göttin Tychi mit der Kultstatue der Göttin aus Elfenbein errichtet. Die Athener waren zu Recht stolz auf das Panathinaiko-Stadion, das in der Welt seinesgleichen suchte. Auf der Spitze des Hügels, links vom Eingang, befand sich lange Zeit das Grab des Herodes.
Mit der Verbreitung der christlichen Religion und dem Verbot heidnischer Riten und den barbarischen Spektakel der Römerzeit, wie blutige Gladiatorenkämpfe und Tierhetzen, verlor das Panathinaiko-Stadion seinen Glanz und nahm im Laufe der Zeit das traurige Bild der Verlassenheit an, da sein glänzender Marmor für Gebäude in Athen verwendet wurde und die Kalköfen der Umgebung speiste. Vor allem Reisende aus Europa besuchten diese Stätte, wie aus ihren Reiseberichten hervorgeht. Die Berichte verschweigen auch nicht die magischen Rituale junger Athenerinnen im Gewölbegang auf der Suche nach einem guten Partner.
Einer der ersten Versuche, die Idee der Olympischen Spiele wiederzubeleben, waren die Sportspiele, die 1870 und 1875 im Panathinaiko-Stadion im Rahmen der Zappeion-Olympiaden organisiert wurden und Ausstellungen griechischer Produkte, die von dem nationalen Wohltäter Evangelos Zappas finanziert wurden. Die Verwirklichung der Idee verdanken wir dem französischen Baron Pierre de Coubertin, einem profunden Kenner der antiken griechischen Literatur und Organisator des Internationalen Sportkongresses in Paris im Jahr 1894. Der Präsident des Kongresses und Bevollmächtigte des Panhellenischen Turnverbandes war Dimitrios Vikelas, der den Kongress davon überzeugte, die ersten Internationalen Olympischen Spiele 1896 in der griechischen Hauptstadt abzuhalten. Das Panathinaiko-Stadion wurde daraufhin als Austragungsort für die internationalen Spiele ausgewählt und stand im Mittelpunkt der Vorbereitungen der Stadt für das große internationale Treffen. Ein weiterer nationaler Wohltäter, George Averoff, übernahm den größten Teil der enormen Kosten des Wiederaufbaus. Die Marmorstatue von ihm rechts vom Eingang des Stadions wurde von dem Bildhauer Georgios Vroutos geschaffen.
Archäologische Forschungen hatten bereits 1836 Spuren des antiken Herodes-Stadions zutage gefördert. Auf der Grundlage dieser Daten und der Ausgrabungsergebnisse von Ernst Ziller aus dem Jahr 1869 entwarf der Architekt Anastasios Metaxas einen Plan für dessen Wiederaufbau. Die Rekonstruktion des Stadions aus pentelischem Marmor zeichnet sich durch ihren vorbildgerechten Wiederaufbau des antiken Monuments des Herodes aus. Die ersten internationalen Olympischen Spiele begannen am 25. März und endeten mit großem Erfolg am 3. April. Der Sieg beim Marathon, dem beliebtesten aller Wettkämpfe, ging an Spyridon Louis. Im Panathinaiko-Stadion war zum ersten Mal die Olympische Hymne mit einem Text von Kostis Palamas und einer Vertonung von Spyros Samaras zu hören.
Das Panathinaiko-Stadion war im vergangenen Jahrhundert Schauplatz verschiedener Veranstaltungen, panhellenischer und internationaler Wettkämpfe. Bei den Olympischen Spielen 2004 in Athen erlebte das Stadion wieder Momente der Aufregung und der Emotionen beim Bogenschießen und am Ziel des Marathonlaufes. Als eine Schöpfung der Athener, wie der stolze Name Panathinaiko-Stadion vermuten lässt, ist das Stadion seit der Antike dazu bestimmt, den edlen Wettstreit von Geist und Körper auszurichten.