Le gymnase était construit sur deux niveaux. La terrasse supérieure comprenait le xyste, une galerie couverte de 7 m de largeur et de 178,35 m de longueur, soit la longueur d’un stade pythique. C’est ici que les athlètes s’exerçaient à la course par mauvais temps. Il était appelé ainsi parce que sa surface devait être raclée afin d’être nivelée. Des fouilles récentes ont mis au jour le xyste dans toute sa longueur. À l’origine, au IVe siècle av. J.-C., il était de style dorique, construit en pierre poreuse ; plus tard cependant, les Romains remplacèrent la colonnade de la façade par une colonnade ionique en marbre. Parallèlement au xyste se trouvait la paradromis, une piste extérieure nivelée de 6 m de largeur destinée à l’entraînement aux courses. Sur la terrasse inférieure se trouvait la palestre, comprenant une cour centrale carrée entourée de portiques, eux-mêmes divisés en pièces. Les inscriptions nous renseignent sur l’utilisation de ces salles comme salle de jeu de balle (sphairistérion), vestiaire, salle de poussière (konima) et probablement aussi comme sanctuaire d’Hermès ou d’Héraclès. Dans la cour se déroulait l’entraînement à la lutte et à la boxe. À l’ouest de la palestre se conserve encore aujourd’hui une piscine circulaire de 10 m de diamètre et de 1,80 m de profondeur, élément essentiel du bain grec. Derrière celle-ci, une série de becs d’eau alimentait en eau provenant de la source de Castalie dix bassins de pierre communiquant entre eux. Il s’agissait des bassins de lavage des athlètes. Plus à l’ouest fut construit en 120 apr. J.-C. un balnéaire ou des thermes romains destinés aux bains chauds. Quelques siècles plus tard, la zone du gymnase fut occupée par un monastère byzantin. Son église principale (katholikon), construite au-dessus de la palestre, fut démolie en 1898 afin de permettre les fouilles. D’ailleurs, sur l’une des colonnes classiques réutilisées dans le monastère, Lord Byron grava son nom lorsqu’il visita Delphes.