Είναι κτισμένη πάνω σε μια νησίδα του ορμητικού χειμάρρου που κάποτε κυλούσε εκεί, ανατολικά του Ολυμπείου, δίπλα στο γυμναστήριο του Φωκιανού. Τρίκλιτη βασιλική με νάρθηκα, αίθριο και εγκάρσιο κλίτος.

Αξιοπρόσεχτο είναι πως η Βασιλική του Ιλισού μοιάζει, αν και μικρότερη, με τη Βασιλική του Λεχαίου. Επίσης, είναι και οι δύο αφιερωμένες στον Άγιο Λεωνίδη, επίσκοπο Αθηνών τον 3ο αιώνα μ.Χ., και τους επτά που μαρτύρησαν μαζί του. Επιπλέον, στον βόρειο τοίχο της Βασιλικής Ιλισού έχει ανακαλυφθεί το μαρτύριο του Αγίου Λεωνίδη.

Σήμερα είναι ερειπωμένη, αλλά στο Βυζαντινό Μουσείο Αθηνών εκτίθεται τμήμα ψηφιδωτού από το δάπεδό της, με αναπαράσταση που δείχνει ένα πελαργό να χτυπάει με το ράμφος του ένα φίδι και γύρω-γύρω διάφορα γεωμετρικά σχήματα. Το ψηφιδωτό είναι κι αυτό του 5ου αιώνα μ.Χ..