Ο ναός της Αθηνάς που μνημονεύεται από τον Παυσανία, αποτελεί το αρχαιότερο και σημαντικότερο μνημείο της αρχαίας Αλίφειρας. Τα λείψανά του κυριαρχούν στο άνδηρο του ιερού της θεάς, το οποίο βρίσκεται στο ανατολικό τμήμα της οχυρωμένης πόλης, αμέσως κάτω από την ακρόπολη, και είχε πρόσβαση από τα ανατολικά μέσω ενός κλιμακωτού αναλήμματος. Ο ναός είναι δωρικός περίπτερος και χρονολογείται στα 500-490 π.Χ. Έχει προσανατολισμό βορρά-νότο, αποκλίνει δηλαδή από τον τυπικό προσανατολισμό των αρχαίων ελληνικών ναών είτε λόγω του διαθέσιμου χώρου είτε μίας συνήθειας που απαντά και σε άλλα μέρη της αρχαίας Αρκαδίας.

Ο ναός της Αθηνάς παρουσιάζει αρκετά αρχαϊκά στοιχεία. Ο σηκός του μπορεί να είναι πρωϊμότερος και να κατασκευάστηκε αρκετά πριν το 500 π.Χ., υπόθεση που ενισχύεται και από την ανεύρεση αναθημάτων που χρονολογούνται από τα μέσα του 6ου αι. π.Χ. Σώζεται στο ύψος των θεμελίων και οι τοίχοι του θα πρέπει να ήταν κατασκευασμένοι από ωμές πλίνθους, ενώ περιβαλλόταν μάλλον από ξύλινους κίονες. Από τη φάση αυτή σώζονται επίσης πήλινα κεραμίδια με ανάγλυφη διακόσμηση Γοργονείου. Στο βάθος του σηκού θα πρέπει να ήταν στημένο το λατρευτικό άγαλμα, το αρχαϊκό ξόανο της θεάς.

Γύρω στα 500-490 π.Χ. ο ναός μετατράπηκε σε δωρικό περίπτερο με 6 επί 15 κίονες. Το μήκος του πτερού τον κατατάσσει στους Εκατόμπεδους ναούς. Από τη φάση αυτή σώζεται η βάση της κιονοστοιχίας και τμήματα των κιόνων και της ανωδομής που είναι κατασκευασμένα από κογχυλιάτη λίθο. Τα μέλη της ανωδομής δεν φέρουν γραπτό ή ανάγλυφο διάκοσμο. Έχουν επίσης σωθεί μαρμάρινα κεραμίδια από νησιωτικό μάρμαρο που μεταφέρθηκε προφανώς από τα νησιά του Αιγαίου στην ορεινή Αρκαδία. Ο ναός πρέπει να καταστράφηκε από σεισμό, όπως δείχνουν οι κίονες του που βρέθηκαν πεσμένοι. Στη βυζαντινή εποχή κατασκευάστηκε πάνω από τον πρόναο εκκλησάκι της Αγίας Ελένης.

Σε απόσταση 19 μ. βορείως της πρόσοψης του ναού αποκαλύφθηκε το λίθινο ορθογώνιο θεμέλιο του βωμού που έχει μήκος 10.88 μ. και πλάτος 1.36 μ.

Στο ιερό της Αθηνάς θα πρέπει να ήταν στημένα αρκετά αναθήματα, όπως μαρτυρούν τα βάθρα που αποκαλύφθηκαν και που προορίζονταν για αγάλματα ή και επιγραφές. Το σημαντικότερο από αυτά, το χάλκινο κολοσσικό άγαλμα της Αθηνάς που μνημονεύεται από τον Πολύβιο και τον Παυσανία, θα ήταν στημένο σε βάθρο που αποκαλύφθηκε απέναντι από το βωμό και που σώζει τμήμα της αναθηματικής επιγραφής. Το άγαλμα αυτό που ξεχώριζε για το μέγεθος και την τέχνη του, ήταν έργο του Θηβαίου γλύπτη Υπατόδωρου και πρέπει να κατασκευάστηκε στα τέλη του 5ου αι. π.Χ.

Η λατρεία της Αθηνάς ήταν ιδιαίτερα σημαντική στην αρχαία Αλίφειρα, καθώς υπήρχε η παράδοση πως η θεά γεννήθηκε και ανατράφηκε στη συγκεκριμένη πόλη. Ο ναός της αποτελεί σημαντικό μνημείο της ύστερης αρχαϊκής εποχής και παρουσιάζει ομοιότητες με το ναό της Αφαίας Αθηνάς στην Αίγινα αλλά και με τον μεταγενέστερο ναό του Επικουρίου Απόλλωνος στις Βάσσες, ο οποίος έχει αρκετά αρχαϊκά στοιχεία.