Το στάδιο της Ολυμπίας είναι ο χώρος όπου τελούνταν οι αρχαίοι Ολυμπιακοί Αγώνες αλλά και τα Ηραία, αγώνες γυναικών προς τιμήν της Ήρας. Βρίσκεται ανατολικά της Άλτεως, ακριβώς έξω από τη βορειοανατολική γωνία του ιερού περιβόλου, αλλά η θέση του δεν ήταν η ίδια στους πρώτους αιώνες τέλεσης των αγώνων. Πριν από τον 6ο αι. π.Χ. το αγώνισμα του σταδίου δρόμου γινόταν σε έναν επίπεδο χώρο, χωρίς κανονικά πρανή, κατά μήκος του ανδήρου των θησαυρών, στα ανατολικά του μεγάλου βωμού του Δία. Κατά την αρχαϊκή εποχή, γύρω στα μέσα του 6ου αι. π.Χ., έγινε η πρώτη διαμόρφωση του σταδίου (στάδιο Ι), που ήταν μία απλή εξομάλυνση του εδάφους στα νότια του Κρονίου λόφου, μέσα στον ιερό χώρο της Άλτεως. Η δυτική στενή πλευρά του σταδίου, η άφεση, ήταν ανοικτή προς το μεγάλο βωμό του Δία, προς τιμήν του οποίου γίνονταν οι αγώνες. Λίγο αργότερα, στα τέλη του 6ου αι. π.Χ., δημιουργήθηκε το στάδιο ΙΙ. Ο στίβος μεταφέρθηκε ανατολικότερα και επεκτάθηκε και μετά το πέρας του ανδήρου των θησαυρών. Κατά μήκος της νότιας πλευράς διαμορφώθηκε τεχνητό πρανές για τους θεατές, ύψους περίπου 3 μ., ενώ στη βόρεια πλευρά χρησιμοποιήθηκε το φυσικό πρανές στις υπώρειες του Κρονίου λόφου. Στις αρχές του 5ου αι. π.Χ., όταν οικοδομήθηκε ο μεγάλος ναός του Δία, το στάδιο έλαβε την τελική του μορφή, αυτή που βλέπει σήμερα ο επισκέπτης (στάδιο ΙΙΙ). Οι αγώνες είχαν πια αποκτήσει μεγάλη αίγλη, οι θεατές ήταν χιλιάδες και οι αθλητές που συμμετείχαν στα αγωνίσματα περισσότεροι από πριν. Οι λόγοι αυτοί ήταν αρκετοί για να αποκτήσει η Ολυμπία ένα μεγαλύτερο στάδιο, το οποίο μετατοπίσθηκε 82 μ. ανατολικότερα και 7 μ. προς τα βόρεια. Ο προσανατολισμός του παρέμεινε ο ίδιος και δημιουργήθηκαν τεχνητά πρανή για τους θεατές σε όλες τις πλευρές του. Στα μέσα περίπου του 4ου αι. π.Χ., με την κατασκευή της στοάς της Ηχούς, το στάδιο απομονώθηκε οριστικά από την ιερά Άλτι, γεγονός που απηχεί το πνεύμα της εποχής, καθώς οι αγώνες είχαν χάσει πλέον τον καθαρά θρησκευτικό τους χαρακτήρα και αποτελούσαν γεγονός περισσότερο αθλητικό και κοσμικό.

Ο στίβος του σταδίου έχει μήκος 212,54 μ. και πλάτος 30 περίπου μ. Η απόσταση ανάμεσα στις δύο λίθινες βαλβίδες, που σηματοδοτούν τις αφέσεις, είναι 192,27 μ., δηλαδή ένα ολυμπιακό στάδιο ή 600 ολυμπιακά πόδια (1 πους=32,04 εκ.). Στο νότιο πρανές του σταδίου υπάρχει η εξέδρα των Ελλανοδικών και απέναντι, στο βόρειο πρανές, ο βωμός της Δήμητρας Χαμύνης, όπου καθόταν η ιέρεια της θεάς, η μοναδική γυναίκα που επιτρεπόταν να παρακολουθήσει τους αγώνες. Υπολογίζεται ότι το στάδιο χωρούσε περίπου 45.000 θεατές, ωστόσο δεν απέκτησε ποτέ λίθινα καθίσματα και οι θεατές κάθονταν κατά γης. Ελάχιστα λίθινα καθίσματα υπήρχαν μόνο για τους επισήμους, ενώ στα ρωμαϊκά χρόνια πιθανόν κατασκευάσθηκαν ξύλινα έδρανα στα πρανή (στάδιο IV-V) και έγιναν εργασίες συντήρησης. Γύρω από το στίβο υπήρχε λίθινος αγωγός, με μικρές λεκάνες ανά διαστήματα, όπου συγκεντρώνονταν τα νερά από τα πρανή. Στα τέλη του 3ου αι. π.Χ. κατασκευάσθηκε η μνημειακή είσοδος του σταδίου, η λεγόμενη Κρυπτή, μία λίθινη καμαροσκεπής στοά μήκους 32 μ., από την οποία έμπαιναν στο στάδιο οι αθλητές. Στα ρωμαϊκά χρόνια, στο δυτικό της άκρο προστέθηκε ένα μνημειακό πρόπυλο. Από την ανασκαφή του χώρου προέρχεται πλήθος ευρημάτων, κυρίως χάλκινων, τα οποία βρέθηκαν μέσα στα φρέατα, που είχαν ανοιχθεί στα πρανή ήδη από την αρχαϊκή εποχή, για να εξασφαλίσουν νερό στους θεατές. Όταν αχρηστεύθηκαν τα φρέατα αυτά, χρησιμοποιήθηκαν ως αποθέτες.

Το στάδιο ερευνήθηκε για πρώτη φορά στις παλαιές γερμανικές ανασκαφές, οπότε αποκαλύφθηκαν τα ακριβή όρια του στίβου, ενώ η πλήρης αποκάλυψη του μνημείου έγινε από τις νεότερες γερμανικές ανασκαφές, την περίοδο 1952-1966. Στις 18/08/2004, το αρχαίο στάδιο της Ολυμπίας ξαναγνώρισε την παλαιά του αίγλη, μετά από 1611 χρόνιααφού φιλοξένησε το αγώνισμα της σφαιροβολίας ανδρών και γυναικών στο πλαίσιο των σύγχρονων Ολυμπιακών Αγώνων της Αθήνας.