Nel campo dell’Olympeion spicca il tempio di Zeus, che già Diodoro descriveva con commenti entusiastici e Polibio ricordava nei propri scritti. Nel corso dei secoli il tempio è andato distrutto, soprattutto a causa di demolizioni iniziate nell’antichità e proseguite negli anni (addirittura nel XVIII secolo una buona parte dell’edificio venne defraudata delle proprie mura per rendere possibile la costruzione del Porto di Empedocle).

Esistono varie ipotesi su come sia avvenuta la ricostruzione dell’alzato del tempio, nella quale zona si trova ora il Museo Nazionale. Quando venne costruito, il tempio poggiava su un grande basamento, sormontato da un krepidoma di cinque gradini; sul basamento si trovava il recinto, munito di sette semicolonne doriche (alle quali corrispondevano altrettanti pilastri) sui lati corti e quattordici sui lati lunghi, collegate tra loro da un muro continuo. In questa finta peristasi, a metà del muro, su una specie di piedistallo, si trovavano dei telamoni alti quasi otto metri, con le gambe divaricate e le braccia piegate dietro la testa, in una posizione che consentiva loro di sopportare, coadiuvati dalle colonne, il peso degli architravi. Lasciano ancora perplessi le finestre presenti tra i telamoni e le semicolonne: probabilmente la loro funzione era quella di dare luce all’interno della pseudo – peristasi.

La cella era costituita da un muro che collegava una serie di dodici pilastri per ogni lato lungo (quelli angolari delimitavano gli spazi del pronao e dell’opistodomo, mentre l’ingresso alla cella era garantito da porte di numero e posizione incerta, aperte nel muro continuo della pseudo- peristasi). L’intera costruzione del tempio venne realizzata con dei piccoli blocchi; perfino le colonne, i capitelli, i telamoni e gli architravi furono innalzati a questo modo. Stando a quanto riportato da Diodoro ad est si trovavano delle scene raffiguranti la gigantomachia, mentre ad ovest quelle rappresentanti la Guerra di Troia. E’ incerto se Diodoro si riferisse alla decorazione del frontone o a delle semplici metope, ma si protende per la prima ipotesi.

E’ sempre Diodoro a informarci del fatto che la costruzione dell’Olympeion rimase incompiuta a causa della conquista cartaginese e che il tetto veniva perennemente distrutto nel corso delle invasioni, insieme ad altre parti della città. Del tempio restano tuttavia visibili l'angolo sud-est, due tratti settentrionali della pseudo - peristasi, i piloni del pronao, dell'opistodomo e metà circa del lato nord della cella. Proprio nell’angolo sud – est si trova un piccolo edificio a due navate, probabilmente un sacello, che presenta un pronao, una doppia porta d’accesso con altare antistante, probabilmente di età arcaica, viste le numerose terrecotte architettoniche del VI secolo a. C. rinvenute nella zona durante gli scavi svolti da Gabrici nel 1925. A sud – ovest rispetto al sacello si possono trovare i resti di una stoà del IV secolo a. C., con una vasca intonacata all'estremità orientale e cisterne sulla fronte e alle spalle, da dove proviene materiale votivo d'età timoleontea, mentre resti di un precedente edificio sono visibili attorno alla cisterna più vicina alle mura.