Das Gebäude besteht aus einem Innenhof (23 x 26 m), der auf drei Seiten von Säulenhallen mit einer Breite von 3,5 bis 4 m umgeben ist, hinter denen sich mit bemerkenswerter Symmetrie großzügige rechteckige Räume entwickeln. Der Haupteingang zur Palästra befand sich wahrscheinlich an der Südseite, die bislang noch nicht erforscht wurde. Im 1. Jahrhundert n. Chr. wurde an der Nordseite des Hofes ein Kaltwasserbecken für die Athleten errichtet, dessen Schmalseiten apsidenförmig gestaltet sind. In derselben Zeit wurden in den nordöstlichen und nordwestlichen Teilen der Palästra mit vollkommener Symmetrie Badeanlagen integriert, die vermutlich die älteren Badeeinrichtungen der klassischen Zeit ersetzten. Eng verbunden mit der Institution der Gymnastik als Erziehungssystem und mit dem Ideal des „kalos kagathos“ spielten die Gymnasien eine entscheidende Rolle in der körperlichen und geistigen Bildung der Jugend. Allmählich entwickelten sie sich zu bedeutenden geistigen Zentren. Im 4. Jahrhundert v. Chr. wurden in den Gymnasien die ersten philosophischen Schulen gegründet – im Grunde die ersten „Universitäten“: In der Region des Lykeions gründete Aristoteles im Jahr 335 v. Chr. seine Schule und lehrte dort etwa zwölf Jahre lang, die produktivsten seines Lebens. Die archäologische Stätte des Lykeions stellt einen der bedeutendsten Orte in der Geschichte des menschlichen Geistes dar. Das monumentale intellektuelle Werk des Aristoteles und seiner Schule fasste alle philosophischen und wissenschaftlichen Bestrebungen der antiken Welt zusammen und übte einen unermesslichen Einfluss auf die Entwicklung der christlichen patristischen Theologie aus. Über 18 Jahrhunderte hinweg, bis zur Renaissance, galt Aristoteles als Inbegriff menschlicher Weisheit und als unangefochtene Autorität in nahezu allen Wissensgebieten. Die Palästra des Lykeions wurde 1996 freigelegt.