Originalmente el Estadio Panatenaico fue un hoyo en el suelo utilizado por los atletas olímpicos desde el año 566 a.C. Este estadio fue construido en piedra por Licurgo en 330-329 a.C. para los Juegos Panatenaicos. 
Está empotrado en la ladera de una colina. Entre los años 140-144 a.C., Herodo Atico lo reconstruyó en mármol, y lo diseñó con forma de herradura, revelada en las excavaciones que se hicieron en el lugar en 1870.
A su vez tiene una propilea dórica o una entrada pedimentada.
La pista de 204 metros de largo fue marcada con columnas con bustos deportivos de Apollo y Dionisio. La capacidad de asientos es de 50.000. Los asientos del Estadio Panatenaico se organizan alrededor de la pista en círculos que fueron divididos por escaleras.
Durante la era del Imperio romano el estadio fue utilizado como arena de luchas cruentas entre gladiadores y para la exhibición de proezas deportivas.
Durante las Olimpíadas de 2004 realizadas en Atenas el Estadio Panatenaico fue utilizado para competiciones de arquería y como punto de llegada de la maratón.