El Temple era d'estil períptero, amb 13 x 6 columnes al voltant, tenia 64,12 m de llarg, 27,66 m d'ample i una altura aproximada de 20,25 m . Les columnes, que tenien 10,45 m d’alçada i en la base un diàmetre de 2,20 m aproximadament, estaven unides per un fort arquitrau sobre el qual es donaven suport els tríglifs i les metopes. Aquestes metopes no estaven decorades, però en l'any 146 a. de C. vint-i-una metopes –les deu del costat oriental i onze del costat sud–, van ser adornades amb vint-i-un escuts daurats oferts pel general romà Momio, que els havia obtingut com trofeu de la seva victòria sobre els aqueus. Els frontons del temple estaven decorats amb estàtues que es conserven actualment en el Museu.

En el centre del costat oriental havia un accés en declivi que encara es conserva. Entrant per allí s'arriba al pródomo. A la dreta, es pot veure un petit sector amb mosaics hexagonals pertanyent a l'època romana. En els dies de celebració dels Jocs a aquest lloc es portava la taula d'or i ivori i sobre ella es col·locaven les corones d'olivera silvestre. La coronació dels vencedors tenia lloc en l'entrada del Temple l'últim dia dels Jocs, mentre la multitud presenciava la cerimònia des dels voltants.

En l'interior hi havia una galeria superior on pujaven els fidels a admirar més de prop l'estàtua d'or i ivori de Zeus. Aquesta obra, magnífica inspiració de Fídias, estava col·locada en el fons de la cella, entre les dues columnates, i es trobava aïllada per una balustrada que envoltava el pedestal i la major part de l'espai que s'estenia davant d'aquest. En el sòl, enfront del pedestal de marbre d’Eleusis, queia l'oli amb el qual untaven l'estàtua per a protegir l'ivori de la humitat.

El Temple de Zeus, l'edifici més excel·lent de l’Altis, ha sofert diferents catàstrofes. Primer va ser incendiat en l'any 426 d. de C. per ordre de Teodosi II i més tard, en els anys 522 i 551 d. de C., va ser destruït juntament amb els altres edificis del Santuari per terratrèmols, com ho demostren les columnes caigudes, especialment en el sector sud. Avui no queda ni una columna en peus, mentre que tot el material de la construcció, sovint en fragments, es troba dispers pels voltants.

Nombrosos pedestals d'estàtues –sobretot de divinitats, herois i vencedors olímpics–, que havien estat ofertes bé per ciutats bé per individus, es troben disseminades en les proximitats del Temple. Entre aquestes bases destaca, a poca distància del cantó sud-est, una part del pedestal triangular de la Victòria de Paionio. L'estàtua de la Victòria, així com la resta del pedestal, es troben ara en el Museu.

Proper al costat occidental del temple estava l'altar de les “Nimfes Callistéfanes”, i pròxim a aquest, la sagrada olivera silvestre del que es tallaven les branques amb les quals es feien les corones dels vencedors.