Η λατρεία στο χώρο αυτό ανάγεται στους προϊστορικούς χρόνους και συνδέεται με χθόνιες θεότητες και ήρωες της αρχαίας Αθήνας. Το 515 π.Χ. άρχισε να κτίζεται από τον Πεισίστρατο το Νεότερο ένας μνημειώδης ναός, που όμως δεν ολοκληρώθηκε εξαιτίας της πτώσης της τυραννίας. Την οικοδόμηση του ναού, που έμεινε ημιτελής για 400 περίπου χρόνια, συνέχισε το 174 π.Χ. ο Αντίοχος ο Δ΄ ο Επιφανής. Ο ναός όμως τελικά αποπερατώθηκε το 124/125 μ.Χ. από τον αυτοκράτορα Αδριανό, που ταύτισε τον εαυτό του με το Δία και πήρε τον τίτλο του Ολυμπίου. Γύρω στα 450 π.Χ. οικοδομείται ο μεγάλος πώρινος δωρικός περίπτερος ναός (αμφιδίστυλος εν παραστάσι), πιθανόν του Δελφινίου Απόλλωνα, που εγκαταλείπεται τον 3ο μ.Χ. αι. Στην εποχή του Αδριανού, κατά τον 2ο αι. μ.Χ. ανεγείρεται ρωμαϊκός ναός, δωρικού ρυθμού, μέσα σε τέμενος με κτιστό περίβολο και υπαίθριο βωμό, πιθανόν του Κρόνου και της Ρέας, ρωμαϊκό περιστύλιο ή πανελλήνιο, για τη διεξαγωγή του συνεδρίου του ιερατείου των Πανελλήνων και στο βράχο της Ολυμπίας Γης, υστερορωμαϊκό κτήριο, πιθανόν κατοικία εξέχοντος μέλους του ιερατείου. Τον 3ο αι. μ.Χ., την εποχή του Ρωμαίου αυτοκράτορα Βαλέριου, οικοδομείται το Βαλεριάνειο τείχος, πιθανόν πάνω στη διαδρομή του κλασικού Θεμιστόκλειου τείχους. Τον 4ο και 5ο αι. μ.Χ. αναπτύσσεται εκτός του τείχους εκτεταμένο υστερορωμαϊκό νεκροταφείο. Τέλος, στο 10ο - 12ο αι. μ.Χ. ακμάζει μια εκτενής βυζαντινή συνοικία με οικίες και εργαστήρια, όπως βυρσοδεψεία και ελαιοτριβείο, επάνω στα ερείπια του κλασικού ναού, με μία τουλάχιστον κεντρική οδική αρτηρία, την αποκαλούμενη Αρχαία Οδό. Ανασκαφές στο χώρο του ναού του Δία πραγματοποιήθηκαν από τον E. Penrose από το 1883 έως το 1886 και το 1922 από τον G. Weltet. Η Ελληνική Αρχαιολογική Εταιρεία διενέργησε ανασκαφές γύρω από το ναό από το 1886 έως το 1907 ενώ ο Ιωάννης Τραυλός (αρχιτέκτων) στη δεκαετία του 1960. Ο αρχαιολόγος Ιωάννης Θρεψιάδης υπήρξε επίσης ανασκαφέας του αρχαιολογικού χώρου. Στα πλαίσια του Έργου της Ενοποίησης των Αρχαιολογικών Χώρων της Αθήνας , ο χώρος νοτίως του Ολυμπιείου με τα Παριλίσσια ιερά ενοποιήθηκε με τον παλαιό αρχαιολογικό χώρο του Ολυμπιείου και είναι σήμερα επισκέψιμος για το κοινό. Η είσοδος στον ενιαίο χώρο του Ολυμπιείου και των Παριλισσίων Ιερών γίνεται μόνο από το φυλάκιο της Λεωφόρου Βασιλίσσης ΄Ολγας. Από τον Σεπτέμβριο του 1999 έως τον Ιούνιο του 2004 διενεργήθηκαν συστηματικές αρχαιολογικές ανασκαφικές εργασίες στο χώρο νοτίως του Ολυμπιείου, υπό την εποπτεία της Γ΄ ΕΠΚΑ, στο πλαίσιο της Ενοποίησης των Αρχαιολογικών χώρων της Αθήνας . Σκοπός της επέμβασης ήταν η προβολή, ανάδειξη και αποκατάσταση των μνημείων αλλά και η ανάπλαση του χώρου με αρχαιολογικούς καθαρισμούς, εκτεταμένες αποψιλώσεις, συστηματικές εργασίες συντήρησης, μικρές εργασίες αναστήλωσης, κατασκευή συστήματος αποστράγγισης ομβρίων υδάτων και τέλος δημιουργία υποδομών και ενημερωτικών πινακίδων για την υποδοχή των επισκεπτών. Στον ενιαίο αυτό αρχαιολογικό χώρο υπάρχουν σήμερα δύο νέα φυλάκια, ένα στη Λεωφόρο Βασιλίσσης ΄Ολγας, το άλλο κοντά στην κοίτη του Ιλισσού πλησίον της Αγίας Φωτεινής, W.C και για ΑΜΕΑ., πωλητήριο και αποθήκη. Το Ολυμπιείο περιλαμβάνει το ιερό του Ολυμπίου Διός, ρωμαϊκά λουτρά, κλασικές οικίες, βασιλική του 5ου αι. μ.Χ., καθώς και τμήμα του οχυρωματικού περιβόλου της πόλης, ενώ έξω από τον περιφραγμένο αρχαιολογικό χώρο βρίσκεται και η Πύλη του Αδριανού. Ο αρχαιολογικός χώρος του Ολυμπιείου εκτείνεται νοτιοανατολικά της Ακρόπολης, σε έκταση 60 στρεμμάτων μεταξύ των οδών Λεωφόρου Βασιλίσσης Όλγας στα βόρεια, Λεωφόρου Αμαλίας στα δυτικά, της οδού Αθανασίου Διάκου στα νότια και του Ομίλου Αντισφαίρισης στα ανατολικά. Τα Παριλίσσια ιερά εκτείνονται νοτίως του Ολυμπιείου, πλησίον της κοίτης του Ιλισσού ποταμού, παρά τη σημερινή οδό Αθανασίου Διάκου, από το βράχο της Ολύμπιας Γης έως την πηγή Καλλιρρόη. Από τα σημαντικότερα μνημεία του αρχαιολογικού χώρου είναι ο ναός του Ολυμπίου Διός (124 - 132 μ.Χ.) που είναι οκτάστυλος τρίπτερος στις δύο στενές πλευρές και εικοσάστυλος δίπτερος στις μακρές. Μέσα στο ναό υπήρχε χρυσελεφάντινο άγαλμα του Δία και ανδριάντας του αυτοκράτορα. Σήμερα από το ναό σώζονται 16 κίονες, 13 από τους οποίους βρίσκονται ακέραιοι στο ανατολικό μέρος του, ενώ από τους υπόλοιπους τρεις που βρίσκονται στο δυτικό ο ένας κατέρρευσε το 1852. Άλλα σημαντικά μνημεία του αρχαιολογικού χώρου αποτελούν ο ναός του Δελφινίου Απόλλωνος του 500 π.Χ., που ήταν περίπτερος δωρικός, το επί Δελφινίω Δικαστήριο επίσης του 500 π.Χ. που διέθετε ευρύχωρη αυλή και δωμάτια στη βόρεια πλευρά, οι πύλες του Θεμιστόκλειου τείχους (479/478π.Χ), ο ναός του Πανελληνίου Διός (131-132μΧ.) και ο ναός του Κρόνου και της Ρέας του 150 π.Χ. που ήταν μικρός και δίπτερος. Εκτός του αρχαιολογικού χώρου του Ολυμπιείου και εκτός των τειχών της πόλης έχουν εντοπιστεί και αλλά Παριλίσσια ιερά, όπως ο ναός της Αγροτέρας Αρτέμιδος, πάνω από την οδό Αρδηττού (σημερινό Μετς) και το ιερό του Πανός, πλησίον του ναού της Αγίας Φωτεινής.