Das Land am Zusammenfluss von Kladeos und Alpheios weist eine lange Besiedlungsgeschichte auf. Die ältesten Keramikfunde im Bereich des Stadions lassen sich bis in das vierte Jahrtausend vor Christus, also in die ausgehende Jungsteinzeit beziehungsweise die beginnende Kupfersteinzeit, datieren. Damit ist Olympia neben Ajios Dimitrios, einem Ort bei Lepreon, der zweite Ort in Elis, für den eine so frühe mindestens temporäre Besiedlung nachweisbar ist.[1] Weiterhin lassen sich im Bereich des Stadions Keramikscherben aus dem Frühhelladikum I und II, also aus dem dritten Jahrtausend vor Christus, nachweisen.[2] Unter dem Pelopion-Temenos, rund 200 Meter westlich des Stadions, befindet sich ein großer prähistorischer Tumulus. Seine Kuppe wurde wahrscheinlich bereits in prähistorischer Zeit oder in der Antike durch Steinraub und Erosion abgesenkt, litt aber ebenfalls unter den modernen Grabungen. Der Tumulus wurde durch Archäologen auf die Zeit um 2600/2500 vor Christus datiert.[3] Dem Tumulus folgte eine Siedlung aus Apsidenhäusern, deren Bauten II, III, IV und V auf einer Schwemmsandschicht errichtet worden sind, wie durch die stratigraphische Analyse nachgewiesen werden konnte. Nach dieser werden die Apsidenhäuser an den Beginn des Frühhelladikum III, also gegen 2200 vor Christus, datiert. Die dort gemachten Keramikfunde weisen auf eine Benutzung bis in das späte Frühhelladikum III, um 2000 vor Christus, hin. Weitere frühhelladische Scherben wurden im Tal des Kladeos sowie in der Nähe des Neuen Museums von Olympia gefunden. Sie legen nahe, dass das Gebiet bereits im dritten Jahrtausend vor Christus in größerem Umfang menschlicher Besiedlung ausgesetzt war. Die von den Bewohnern der Siedlung auf der Altis geschaffene Keramik wurde mit nichthelladischen Dekormotiven verziert. Diese mit Ritzungen und Einstichen verzierten Tonwaren könnten zum einen auf einen Einfluss der in Dalmatien ansässigen Cetina-Kultur, zum anderen aber auch auf Süditalien hindeuten, so dass die Siedler von Olympia möglicherweise mit diesen in Kontakt standen.[4]

Die Bauten II, III und V lassen es wahrscheinlich erscheinen, dass die Siedlung einer Brandkatastrophe zum Opfer gefallen ist.[5] Danach errichtete man auf den Grundmauern der Apsidenhäuser I, II und V neue rechtwinklige Häuser ohne apsisförmige Enden. Sie lassen sich bis in das frühe Mittelhelladikum I datieren. Im Bereich der Altis wurden einzelne Scherben des Mittelhelladikum II und III nachgewiesen, die jedoch ohne konkreten Fundzusammenhang sind. Die Siedlung im Bereich der Altis wurde im Mittelhelladikum I nicht aufgegeben, sondern in höhere Lagen verlegt, um sie vor Überschwemmungen zu schützen. Dieses Siedlungsgebiet lag am Sandsteinhügel im Nordosten des Stadionwalls und am Ausläufer des Südosthanges des Kronoshügels.[6] Für die Bewohner des neuen Dorfs hatte der Tumulus keinerlei Bedeutung mehr als Kultort, wie der Lehmabbau an seinen nördlichen Randbereichen zeigt. Aus der Zeit der Rechteckhäuser stammen auch Kinderbestattungen in Pithoi.[7] Diese Siedlung wurde aber bereits im Mittelhelladikum I ebenfalls aufgrund der Überflutungsgefahr verlassen und an den auslaufenden Südosthang des Kronoshügels und in ein kleines Tal nördlich des Stadionbereichs verlegt.

Aus mykenischer Zeit stammen nur einzelne Funde, die unter dem Schutt der alten Grabungen entdeckt wurden. Die Frage der Existenz rein mykenischer Schichten ist jedoch noch ungeklärt, da ernsthafte Untersuchungen in diese Richtung etwa auf der Schatzhausterrasse bisher nicht unternommen wurden.[8] In der näheren Umgebung Olympias, im Bereich hinter dem neuen Museum, wurden allerdings spätmykenische Kammergräber entdeckt (bis 1998 insgesamt 13 Stück), die bis ins 12./11. Jahrhundert v. Chr. (Späthelladikum III C) benutzt wurden und auf eine noch unentdeckte mykenische Siedlung in der Nähe schließen lassen.[9]

Die Siedlungsgeschichte bricht mit der Einrichtung des Heiligtums an dieser Stelle ab, da im Zeus gewidmeten Bezirk keine menschliche Bewohnung erlaubt war. Die Errichtung der Kultstätte zu Ehren des Göttervaters knüpfte dabei an ältere Traditionen an. Der Kronoshügel wurde bereits vor der dorischen Wanderung als Ort göttlicher Mächte verstanden. So wurden chthonische Götter, vor allem die Göttin Ge, die auch im weiteren Verlauf der Geschichte einen Platz im Heiligtum von Olympia behielt, an diesem Ort bereits verehrt.[10] Die Kraft der Weissagung der Ge ging auf das Orakel des Zeus über. Dieses konnte jedoch nie die Bedeutung Delphis erreichen. Das Heiligtum des Zeus verband also den olympischen Kult mit älteren lokalen Traditionen.[11]

Während das Heiligtum etwa in der Mitte des 11. Jahrhunderts v. Chr. entstand, stammt der erste Nachweis für die Abhaltung regelmäßiger Wettkämpfe aus der Zeit kurz vor Beginn des 7. Jahrhunderts v. Chr. Die monumentalen Bauten erhielten ihre endgültige Form im 4. Jahrhundert v. Chr., aber auch in der hellenistischen und römischen Epoche wurden Gebäude errichtet. Im Jahr 426 n. Chr. ließ der oströmische Kaiser Theodosius II. die olympischen Spiele und Weihehandlungen endgültig verbieten, um das Heidentum zu bekämpfen, nachdem bereits sein Großvater Theodosius I. 393 ein entsprechendes Verbot erlassen hatte. Offenbar wurde das Zeusheiligtum nun zerstört. Es gibt allerdings Anzeichen dafür, dass Wettkämpfe noch bis ins 6. Jahrhundert heimlich und auf niedrigerem Niveau fortbestanden, bis ein Erdbeben 551 die Kultstätte zerstörte und sie nach Überschwemmungen durch den Kladeos unter Schlamm und Geröll verschwand. Nach einer neueren Hypothese von Andreas Vött,[12] die sich auf geologische Untersuchungen, insbesondere der Sedimentablagerungen stützt, könnte auch ein Tsunami der Grund für die Zerstörung Olympias im 6. Jahrhundert sein.[13] Vötts Hypothese fand in der Forschung jedoch auch Widerspruch.[14] Sicher ist, dass Olympia bis in die Mitte des 6. Jahrhunderts eine wirtschaftliche Nachblüte erlebte, die erst mit dem Erdbeben von 551 und der Justinianischen Pest ihr Ende fand. Wiederholte Überschwemmungen sorgten dafür, dass die Siedlung im frühen 7. Jahrhundert aufgegeben wurde.

In den folgenden zwei Jahrhunderten wurde die Stätte durch eine bis zu fünf Meter hohe Sandschicht bedeckt. Erst in der Neuzeit erwachte wieder das Interesse an der antiken Kultstätte. 1766 wurde Olympia wiederentdeckt, 1874 begannen schließlich systematische Ausgrabungen unter deutscher Leitung. Jahrzehnte nach der Freilegung zahlreicher Kultbauten auf dem Gelände wurde Olympia schließlich in die UNESCO-Liste der Weltkulturerbestätten aufgenommen.

Bei schweren Waldbränden im August 2007 wurde ein großer Teil des Baumbestandes rund um die antiken Stätten vernichtet, das Museum entging nur knapp der Zerstörung. Inzwischen erfolgte eine umfassende Wiederaufforstung.