Στη νεολιθική εποχή χρονολογούνται όστρακα που βρέθηκαν στην ανατολική πλευρά του λόφου της προϊστορικής ακρόπολης, εκεί όπου βρίσκεται το σημερινό Μουσείο της Βραυρώνας. Στην ίδια περιοχή καθώς και στην ανατολική και νότια πλευρά του λόφου, ακόμη και στις βόρειες πλαγιές βρέθηκε κεραμική πρωτοελλαδικής εποχής (2650 - 2000 π.Χ.) Κατά τη μεσοελλαδική εποχή (2000 - 1600 π.Χ.) ο οικισμός στον οποίο εντάχτηκε σε μεταγενέστερους χρόνους το ιερό εξελίχτηκε σε πραγματικά οργανωμένη κοινότητα και έφτασε σε υψηλό σημείο ανάπτυξης όπως αποδεικνύουν τα πολλά λείψανα κατοικιών, που αποκαλύφτηκαν στην κορυφή του λόφου και στο ψηλότερο μέρος της βόρειας πλευράς του, καθώς και η άφθονη άριστης ποιότητας μινυακή και αμαυρόχρωμη κεραμική. Επίσης η παρουσία περιβόλων και τειχών μαρτυρεί είτε ότι οι κάτοικοι είχαν δεχτεί επιθέσεις είτε ότι διαβλέποντας τον κίνδυνο εχθρικής επιδρομής έκτισαν τείχη για να προστατεύσουν τον οικισμό τους. Κατά τη διάρκεια της μεσοελλαδικής περιόδου (1600 - 1100 π.Χ.) η θέση ήταν πυκνότερα κατοικημένη, όπως δείχνουν τα λείψανα οικιών στην κορυφή του λόφου και στο ψηλότερο μέρος της βόρειας πλαγιάς, αλλά και οι θαλαμοειδείς λαξευμένοι τάφοι της Υστεροελλαδικής ΙΙΙ β- γ περιόδου, που έχουν ανασκαφτεί στις δυτικές πλαγιές του λόφου Λαπούτσι απέναντι και ανατολικά από το Μουσείο, στη Χαμολιά και αλλού. Στο τέλος της μυκηναϊκής εποχής φαίνεται ότι ο οικισμός παρακμάζει και εγκαταλείπεται στο χρονικό διάστημα από την Υστεροελλαδική ΙΙΙ β (1300 - 1230) έως 900 π.Χ., προφανώς μετά την επίθεση εχθρών στην Αττική. Με την επάνοδό τους οι κάτοικοι δεν εγκαταστάθηκαν στο λόφο της Βραυρώνας, αλλά 3 χιλ. περίπου μακρύτερα από αυτόν, στην περιοχή ''Κήποι'', καθώς η ζωηρή ανάμνηση των επιθέσεων τους απέτρεψε από το να εγκατασταθούν στον ίδιο λόφο με τις κατεστραμμένες οικίες. Ο νέος οικισμός της Βραυρώνας βρισκόταν μακρύτερα από τη θάλασσα και δεν ήταν ορατός λόγω των χαμηλών λόφων που τον προστάτευαν. Σ' αυτήν ακριβώς την τοποθεσία είχε ο Πεισίστρατος την κτηματική του περιουσία. Λείψανα από τους γεωμετρικούς (9ος - 8ος αι.) και αρχαϊκούς (7ος - 6ος αι.) χρόνους έχουν εντοπιστεί επίσης στην περιοχή Καψάλα, στο Λε - Δεσπότη και στον Άγιο Δημήτριο, ενώ ερείπια οικισμού βρέθηκαν και στις δυτικές και νότιες πλαγιές του επιμήκους λόφου, ο οποίος εκτείνεται μεταξύ των θέσεων "Κήποι" και "Μετόχι" της Βραυρώνας, όπου βρισκόταν ο δήμος των Φιλαϊδών. Στους λόφους γύρω από το ιερό και την πεδιάδα ανακαλύφτηκαν λείψανα τάφων γεωμετρικών χρόνων. Στην αρχαϊκή περίοδο (700 - 508 π.Χ.) τοποθετείται ο παλαιότερος ναός της Αρτέμιδας. Έντονη οικοδομική δραστηριότητα στο ιερό παρατηρήθηκε από τα μέσα του 5ου και καθ' όλη τη διάρκεια του 4ου αι. π.Χ. Το ιερό εκτός από το ναό περιελάμβανε πολλά οικοδομήματα. Πολλά από αυτά έφεραν στο φως οι ανασκαφές ενώ άλλα δεν έχουν εντοπιστεί ακόμη, αλλά μαρτυρούνται σε επιγραφές. Κέντρο της λατρείας παρέμενε πάντοτε ο αρχικός πυρήνας του ιερού, γύρω από το ναό της Αρτέμιδας και τον τάφο της Ιφιγένειας, στη βόρεια βραχώδη πλαγιά του λόφου της ακρόπολης. Το ανάλημμα και μια γέφυρα που είχαν προορισμό την προστασία του ιερού από τα νερά δεν μπόρεσαν να το προφυλάξουν από μεγάλη καταιγίδα γύρω στο 300 π.Χ.οπότε ο χώρος καταχώθηκε. Το ιερό παρέμεινε έτσι ως το 1948 που ξεκίνησε η συστηματική ανασκαφή του από τον Ιω. Παπαδημητρίου. Μεταξύ των ετών 1950 - 1960 έγινε η αναστήλωση της στοάς που πλαισίωνε την εσωτερική και ανοιχτή προς το ναό της Άρτεμης αυλή από τον καθηγητή Χ. Μπούρα. Τα περισσότερα από τα κτίσματα που υπήρχαν στο ιερό της Βραυρώνας τα γνωρίζουμε από μία επιγραφή - ψήφισμα που χρονολογείται στα μέσα του 3ου αι. π.Χ. Η επιγραφή είναι πολύ σημαντική για την τοπογραφία του ιερού γιατί αναφέρεται σε επισκευές οικοδομημάτων. Τα οικοδομήματα αυτά είναι: ο νεώς (ναός), ο παρθενών, οι οίκοι, το αμφιπολείον "εν ω διαιτώνται" και τα υπερώα πάνω απ' αυτό, το γυμνάσιον, η παλαίστρα και οι ιππώνες. Τα κτήρια αυτά εκτός από το ναό της Αρτέμιδας και τον παρθενώνα, που πρέπει να ήταν η μεγάλη στοά χαμηλά στα βόρεια του ναού, δεν έχουν ακόμη βρεθεί λόγω της διακοπής των ανασκαφών. Μεταξύ των κτηρίων του ιερού τεμένους περιλαμβάνονται επίσης το μικρό ιερό, ο τάφος της Ιφιγένειας και η ιερή οικία. Το ιερό σπήλαιο βρισκόταν στους βόρειους πρόποδες του προϊστορικού λόφου (ψηλότερα από το ναό στα νοτιοανατολικά του), δε σώζεται όμως σήμερα γιατί ο θόλος του έχει καταπέσει ήδη από την αρχαιότητα. Η Ιφιγένεια σύμφωνα με τους γνωστούς στίχους της "Ιφιγένειας εν Ταύροις" του Ευρυπίδη (στ. 1463 - 1467) ήταν κλειδούχος ιέρεια της Αρτέμιδος και λατρευόταν ιδιαίτερα ως χθόνια ηρωίδα με κέντρο λατρείας τον μυθικό τάφο της, που αναγνωρίστηκε στο εν λόγω σπήλαιο. Ο τάφος, που χαρακτηρίζεται από τις αρχαίες πηγές ως "κενήριον" είχε τη μορφή σπηλιάς με διάφορα ασαφή κτήρια στο εσωτερικό του, που χρονολογούνται γύρω στο 700 π.Χ. Μπροστά από το δυτικό στόμιο της σπηλιάς κατασκευάστηκε στα κλασικά πιθανώς χρόνια, ένας μικρός ναός με πώρινη θεμελίωση (7.75 Χ 4.45 μ.) με είσοδο από τα δυτικά, που ταυτίστηκε με το ηρώο της Ιφιγένειας. Στα κλασικά χρόνια, ίσως πριν το ηρώο, κατασκευάστηκε δίπλα στην ανατολική πλευρά της σπηλιάς και ένα δεύτερο μεγαρόσχημο κτίσμα. Το κτίσμα αυτό ονομάστηκε ιερή οικία και σχετίστηκε επίσης με τη χθόνια λατρεία της Ιφιγένειας. Ο ναός της Αρτέμιδας, διαστάσεων 19.20 Χ 10.35 μέτρων, βρίσκεται στη βορειοδυτική γωνία του βράχου της ακρόπολης, θεμελιωμένος σε ψηλό κλιμακωτό, σχήματος Γ, ανάλημμα από ισχυρούς πωρόλιθους. Στη θέση του παλαιότερου ναού της εποχής του Πεισιστράτου στέκει σήμερα το εκκλησάκι του Αγίου Γεωργίου. Ο νεότερος ναός οικοδομήθηκε μετά το 480 π.Χ., περίοδο κατά την οποία το ιερό καταστράφηκε από τους Πέρσες. Ανατολικά του ναού και προς τα βόρεια των πίθων που αποκαλύφτηκαν στο ιερό, έχει εντοπιστεί βωμός με πολλά αναθήματα, ενώ στο χώρο μεταξύ ναού Αρτέμιδας και βορείου μέρους της περιοχής της στοάς αποκαλύφτηκε τοίχος αντιστήριξης μεγάλου ανδήρου, πάνω στον οποίο υπήρχε βωμός, απ' όπου προέρχονται όστρακα και ειδώλια που χρονολογούνται από τον 7ο έως και τον 5ο αι. π.Χ. Βόρεια του ναού της Αρτέμιδας γύρω στο 420 π.Χ. οικοδομήθηκε μεγάλο στωϊκό οικοδόμημα σχήματος Π, που κλείνει το τέμενος από τα δυτικά, βόρεια και ανατολικά. Πίσω από τη βόρεια πλευρά της στοάς και παράλληλα προς αυτήν υπήρχε ακόμη μια στοά με δύο πρόπυλα, ανατολικά και δυτικά. Στο ιερό τέμενος οδηγούσε πιθανώς μνημειακό πρόπυλο, που ήταν σύγχρονο με το ναό της Αρτέμιδας, αλλά καταστράφηκε με την οικοδόμηση της στοάς στο τέλος του 5ου αι. π.Χ. Ένα ακόμη αξιόλογο κτίσμα του 5ου αι. π.Χ. είναι η λίθινη γέφυρα, που κατασκευάστηκε στο χώρο του ιερού, προκειμένου να διοχετεύονται τα νερά της ιερής πηγής, καθώς και τα νερά του Ερασίνου ποταμού. Μέσω της γέφυρας μπορούσαν οι άμαξες να διέλθουν τη γεμάτη με νερά περιοχή του ιερού. Στο ιερό εκτός από την Άρτεμη, λατρεύονταν η Ιφιγένεια, η Λητώ, ο Απόλλων και ο Διόνυσος. Τα πλούσια αναθήματα που βρέθηκαν και εκτίθενται στο Μουσείο αποδεικνύουν τη λατρεία της Αρτέμιδας ως θεάς της φύσης, κουροτρόφου, προστάτιδας των παιδιών, καθώς και των μικρών ζώων. Μια μεγαλοπρεπής πομπή ξεκινούσε κάθε 5 χρόνια από την Ακρόπολη για να γιορτάσει τα Βραυρώνια στο ιερό της θεάς, κατά τη διάρκεια των οποίων εκτός από τις θυσίες πραγματοποιούνταν αθλητικοί και μουσικοί αγώνες, καθώς και αρματοδρομίες. Σημαντική στιγμή της γιορτής ήταν η τελετή των αρκτείων. (Επρόκειτο για μια τελετή μυστηριακού χαρακτήρα, στην οποία έπαιρναν μέρος τα κορίτσια, πριν φτάσουν στην ηλικία της ήβης).