Πρόκειται για ένα μεγάλο κτήριο με διαμήκη άξονα από βορρά προς νότο, το οποίο θεμελιώθηκε στο δεύτερο μισό του 4ου αιώνα π.Χ. και διατηρήθηκε, με επισκευές και προσθήκες, για περίπου επτά αιώνες, ως τις αρχές του 4ου αιώνα μ.Χ., οπότε και εγκαταλείφθηκε οριστικά. Ωστόσο, μετά τα μέσα του 3ου αιώνα μ.Χ. μάλλον δεν λειτουργούσε ως παλαίστρα. Το κτήριο αποτελείται από μία εσωτερική αυλή (23 x 26μ.) που περιβάλλεται στις τρεις πλευρές της από στοές πλάτους 3,5 έως 4 μ., πίσω από τις οποίες αναπτύσσονται με αξιοπρόσεκτη συμμετρία ευρύχωρα, ορθογώνια δωμάτια. Η κεντρική είσοδος στην παλαίστρα ήταν πιθανόν στη νότια πλευρά της, που δεν έχει ερευνηθεί ακόμα. Τον 1ο αιώνα μ.Χ. κατασκευάστηκε στη βόρεια πλευρά της αυλής δεξαμενή ψυχρού λουτρού για τους αθλητές, με αψιδωτές τις στενές πλευρές της. Στην ίδια περίοδο εντάχθηκαν με απόλυτη συμμετρία στο βορειοανατολικό και βορειοδυτικό τμήμα της παλαίστρας τα λουτρά που πιθανότατα αντικατέστησαν τους προγενέστερους λουτρώνες των κλασικών χρόνων. Συνυφασμένα με το θεσμό της γυμναστικής ως συστήματος εκπαίδευσης και με την έννοια του «καλο? κ?γαθο?», τα γυμνάσια έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στη φυσική και πνευματική αγωγή των νέων. Σταδιακά, εξελίχθηκαν σε σπουδαία πνευματικά κέντρα. Τον 4ο αιώνα π.Χ. ιδρύθηκαν στα γυμνάσια οι πρώτες φιλοσοφικές σχολές, κατ? ουσίαν τα πρώτα Πανεπιστήμια: στην περιοχή του Λυκείου ίδρυσε, το 335π.Χ τη σχολή του ο Αριστοτέλης και δίδαξε για περίπου δώδεκα χρόνια, τα πιο δημιουργικά της ζωής του. Ο αρχαιολογικός χώρος του Λυκείου αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους τόπους της ιστορίας του ανθρωπίνου πνεύματος. Το μνημειώδες διανοητικό οικοδόμημα του Αριστοτέλη και της Σχολής του συγκεφαλαίωσε όλες τις φιλοσοφικές και επιστημονικές αναζητήσεις του αρχαίου κόσμου και είχε ανυπολόγιστη επίδραση στην διαμόρφωση της Χριστιανικής Πατερικής Θεολογίας. Επί 18 αιώνες, έως την Αναγέννηση, ο Αριστοτέλης ήταν το άπαν της ανθρώπινης σοφίας και η αδιαμφισβήτητη αυθεντία σε κάθε σχεδόν τομέα του επιστητού. Η παλαίστρα του Λυκείου αποκαλύφθηκε το 1996 στη διάρκεια των σωστικών ανασκαφών της Γ΄ Εφορείας Προϊστορικών και Κλασικών Αρχαιοτήτων στο οικόπεδο εμβαδού έντεκα στρεμμάτων, που είχε παραχωρηθεί από το ελληνικό Δημόσιο στο Ίδρυμα Β. και Ε. Γουλανδρή για την ανέγερση Μουσείου Σύγχρονης Τέχνης.