Alkuperäistä antiikin aikaista stadionia käytettiin Panathenaia-juhlaan kuuluneissa kisoissa. Kisoja on järjestetty viimeistään vuodesta 566/565 eaa. lähtien.[1] Stadion oli alun perin puurakenteinen ja rakennettu luonnonlaaksoon Ardettos- ja Agra-kukkuloiden väliin Ilissos-joen etelärannalle.[2][3]

 

Stadion vuoden 1896 kesäolympialaisten avajaisissa.

Vuonna 329 eaa. stadion rakennettiin uudestaan Lykurgos Ateenalaisen johdolla. Tuolloin se käsitti suoran yhden stadionin mittaisen juoksuradan. Vuonna 140 stadion rakennettiin kokonaan Pentelikon-vuoren marmorista Herodes Atticuksen kustantamana. Samalla siihen rakennettiin kaareva pää ja juoksuradan pituus kaksinkertaistui.[2][3]

Roomalaisella ajalla stadionia käytettiin myös gladiaattorinäytäntöihin. Antiikin ajan päätyttyä stadion jäi käytöstä, sillä kisat nähtiin kristillisellä keskiajalla osana pakanallista kulttuuria ja uskontoa. Stadionin marmorit käytettiin uudelleen muihin rakennuksiin tai poltettiin kalkiksi.[1][3]

Stadionin osia löydettiin arkeologisissa kaivauksissa vuonna 1836.[1] Se päätettiin rakentaa uudestaan antiikin aikaiselle paikalle ja mahdollisimman samannäköiseksi. Nykyisessä rakennuksessa ei kuitenkaan ole jäljellä käytännössä mitään alkuperäisiä osia. Stadionia käytettiin jo niin kutsutuissa Zappaan olympialaisissa vuosina 1870 ja 1875.[1] Lopullinen ennallistus perustui Ernst Zillerin paikalla tekemiin tutkimuksiin. Varsinaisena arkkitehtina toimi Anastásios Metaxás. Stadion oli vuoden 1896 kesäolympialaisten pääpaikka, vaikka se olikin tuolloin vielä keskeneräinen. Lopullisesti se valmistui vuoden 1906 välikisojen käyttöön.[3]

Stadion kunnostettiin uudelleen vuosina 2003–2004.[2] Vuoden 2004 kesäolympialaisissa stadion toimi jousiammuntakenttänä sekä maratonjuoksun maalina.[1]