Το Ολυμπιείο περιλαμβάνει το ιερό του Ολυμπίου Διός, ρωμαϊκά λουτρά, κλασικές οικίες, βασιλική του 5ου αι. μ.Χ., καθώς και τμήμα του οχυρωματικού περιβόλου της πόλης, ενώ έξω από τον περιφραγμένο αρχαιολογικό χώρο βρίσκεται και η Πύλη του Αδριανού. Ο αρχαιολογικός χώρος του Ολυμπιείου εκτείνεται νοτιοανατολικά της Ακρόπολης, σε έκταση 60 στρεμμάτων μεταξύ των οδών Λεωφόρου Βασιλίσσης Όλγας στα βόρεια, Λεωφόρου Αμαλίας στα δυτικά, της οδού Αθανασίου Διάκου στα νότια και του Ομίλου Αντισφαίρισης.
Το Ιερό του Ολυμπίου Διός, ένα από τα σημαντικότερα και αρχαιότερα ιερά της Αθήνας, ιδρύθηκε, κατά την παράδοση που διέσωσε ο περιηγητής Παυσανίας, από τον Δευκαλίωνα γενάρχη των Ελλήνων προς τιμήν του Δία ως αντάλλαγμα για τη σωτηρία του μετά τον κατακλυσμό. Η ανέγερση του μεγάλου ναού άρχισε από τον Πεισίστρατο τον Νεότερο το 515 π.Χ. στη θέση παλαιότερου ναού των αρχών του 6ου, έφθασε έως το κρηπίδωμα και διακόπηκε με την κατάλυση της τυραννίδας. Ο υστεροαρχαϊκός ναός ήταν πώρινος, δωρικού ρυθμού, κολοσσιαίων διαστάσεων. Μέρος των οικοδομικών του υλικών χρησιμοποιήθηκε αργότερα για την κατασκευή του ανατολικού βραχίονα του Θεμιστόκλειου τείχους.
Η οικοδόμηση του ναού συνεχίσθηκε από τον Βασιλέα της Συρίας Αντίοχο τον Δ’ τον Επιφανή, με τον Ρωμαίο αρχιτέκτονα Κοσσούτιο, το 175 π.Χ., στις ίδιες διαστάσεις και αναλογίες με τον αρχαϊκό αλλά από μάρμαρο, σε Κορινθιακό ρυθμό, αργότερα από τον Αύγουστο και αποπερατώθηκε τελικά από τον Φιλέλληνα αυτοκράτορα Αδριανό, ο οποίος και τον εγκαινίασε το 131-132 μ.Χ. Ο Αδριάνειος ναός, από τους μεγαλύτερους του αρχαίου κόσμου, Κορινθιακού ρυθμού, είχε μήκος 110,35μ., πλ. 43,68μ., δύο σειρές από 20 κίονες στις μακρές πλευρές και τρεις σειρές από 8 κίονες στις στενές. Δέσποζε στο μέσο ενός μεγάλου ορθογωνίου περιβόλου με πρόπυλο στα βόρεια. Ο σηκός στέγαζε δύο υπερμεγέθη χρυσελεφάντινα αγάλματα του Δία και του αυτοκράτορα Αδριανού που λατρεύονταν εδώ ως σύμβωμοι, ενώ πλήθος αγαλμάτων και αναθημάτων στόλιζαν τον περίβολο.
Η ερείπωση άρχισε τον 5ο αι. μ.Χ. και συνεχίσθηκε στους επόμενους αιώνες από φυσικά αίτια ή ανθρώπινες επεμβάσεις. Στη ΝΑ περιοχή του περιβόλου υπήρχε τζαμί υπαίθριου τύπου κατά τη διάρκεια της Τουρκοκρατίας και επάνω στο επιστύλιο των κιόνων της ΝΑ γωνίας του ναού μεσαιωνικό κτίσμα, ίσως παρατηρητήριο. Από τους 104 κίονες του ναού σώζονταν μέχρι το 1852 δεκαέξι. Ο ένας γκρεμίσθηκε από μία φοβερή καταιγίδα εκείνης της χρονιάς.
Το 131-132 μ.Χ. ιδρύθηκε από τους Αθηναίους, έξω από τον περίβολο του Ολυμπιείου στα ΒΔ μια θριαμβική αψίδα, σε ένδειξη ευγνωμοσύνης προς τον αυτοκράτορα Αδριανό για τα πολυάριθμα έργα του στην Αθήνα. Ήταν κτισμένη πάνω σε έναν αρχαιότερο δρόμο που συνέδεε την πόλη με τα Παριλίσια Ιερά και αποτελούσε ορόσημο μεταξύ της παλαιάς και της νέας πόλης. Το μνημείο, ύψους 18 μ. πλάτους 13 μ., έχει δύο ίδιες προσόψεις και αρθρώνεται καθ’ ύψος σε δύο σαφώς διακριτά τμήματα. Το κάτω μέρος ακολουθεί το ρωμαϊκό σχήμα της τιμητικής αψίδας, ενώ το επάνω μιμείται το ελληνικής παράδοσης πρόπυλο. Στο επιστύλιο επάνω από την τοξωτή δίοδο υπάρχουν οι επιγραφές, στη δυτική «Αιδ’ εις Αθήναι, Θησέως η πριν πόλις» και στην ανατολική «αιδ’ εις Αδριανού και ουχί Θησέως πόλις».
Το 1778 η αψίδα ενσωματώθηκε στο ανατολικό σκέλος του τουρκικού οχυρωματικού περιβόλου της Αθήνας, γνωστού ως «τείχος του Χασεκή», οπότε και μετατράπηκε σε πύλη, γνωστή ως «πόρτα της βασιλοπούλας» ή «καμαρόπορτα».