Das Bauwerk wurde hauptsächlich aus Pentelischem Marmor errichtet und gliedert sich in drei Abschnitte. Der zentrale rechteckige Teil bildet das eigentliche Propylon. An der Ost- und Westseite besitzt es jeweils eine sechssäulige dorische Säulenhalle, zwischen denen eine Querwand mit fünf Türen eingefügt ist. Der Zugang zur Akropolis erfolgte durch die mittlere Tür, die zwischen der westlichen Halle und der Querwand von je drei ionischen Säulen auf jeder Seite flankiert wird. Das zentrale Bauwerk folgte dem Anstieg des Geländes, sodass die östliche Halle höher lag als die westliche, ebenso das Giebeldach, während die beiden Seitenbauten niedriger waren. Das Gefälle des Bodens wurde auch im Inneren des Gebäudes durch Stufen an der Fassade und an der Querwand ausgeglichen. Der nördliche Flügel der Propyläen besteht aus einem Raum, der vom Reisenden Pausanias als Pinakothek (1.22.6) beschrieben wird, da der Saal mit Gemälden geschmückt war, darunter Werke der Maler Polygnotos und Aglaophon. Vor diesem befindet sich eine kleine dorische Säulenhalle mit drei Säulen, und der Eingang erfolgte durch eine Tür, die von zwei Fenstern eingerahmt wird. Einige Forscher vermuten, dass dieser Raum als Ruhe- oder Speiseraum für Besucher der Akropolis diente, und im Inneren könnten Liegen gestanden haben. Der südliche Flügel der Propyläen scheint ursprünglich ähnlich wie der nördliche geplant gewesen zu sein, doch die Existenz des älteren Nike-Heiligtums zwang den Architekten, den ursprünglichen Entwurf nicht zu realisieren. Deshalb wurde dort nur eine Säulenhalle mit drei Säulen errichtet, entsprechend der nördlichen Seite. Von der Westseite aus war der Zugang zum Tempel der Athena Nike möglich. Das ursprüngliche Bauvorhaben sah wohl auch seitliche Räume an der Ostseite vor, die jedoch nie gebaut wurden. Die Form der Propyläen blieb bis in die frühchristliche Zeit (4. bis 7. Jahrhundert n. Chr.) erhalten, als der südliche Flügel zu einer Kirche umgewandelt wurde, während das zentrale Bauwerk im 10. Jahrhundert ebenfalls als Kirche zu Ehren der Erzengel diente. Während der Frankenherrschaft (13.–14. Jahrhundert) wurden die Propyläen zur Residenz des Frankenherrn, und zur Verstärkung der Befestigung der Akropolis wurde im rechten Flügel ein Turm, bekannt als „Koulas“, gebaut, der heute nicht mehr existiert. Während der osmanischen Herrschaft (1458–1830) wurden die Propyläen Sitz des türkischen Kommandanten. Das zentrale Gebäude wurde als Pulvermagazin genutzt, was zur ersten großen Zerstörung des Denkmals führte: 1640 explodierte es durch eine Detonation. Nach der Befreiung von den Osmanen wurden mittelalterliche und türkische Anbauten abgerissen und Ausgrabungen im Bereich der Propyläen durchgeführt. Restaurierungsarbeiten am Denkmal fanden zwischen 1909 und 1917 unter dem Ingenieur Nikolaos Balanos statt. Die moderne Restaurierung der Propyläen begann 1982 im Rahmen eines größeren Wiederherstellungsprogramms an der Akropolis, das seit 1975 von der Denkmalschutzbehörde der Akropolis in Zusammenarbeit mit der Ersten Behörde für Vorgeschichtliche und Klassische Altertümer und unter Aufsicht des Denkmalschutzkomitees der Akropolis durchgeführt wird.