Στο μέσον του κατακόρυφα λαξευμένου βράχου πάνω από το Θέατρο του Διονύσου, δεσπόζει το σπήλαιο του χορηγικού μνημείου του Θρασύλλου. Ο Παυσανίας αναφέρεται έμμεσα σε αυτό, παρέχοντας την πληροφορία ότι στο εσωτερικό του υπήρχε παράσταση του φόνου των τέκνων της Νιόβης από τον Απόλλωνα και την Άρτεμη.

To μνημείο του Θρασύλλου συνίστατο από μία κτιστή μαρμάρινη πρόσοψη μπροστά από το φυσικό σπήλαιο. Η όψη του είχε μορφή δίθυρου πυλώνος με παραστάδες, κεντρικό πεσσό, δωρικό επιστύλιο με συνεχή σειρά σταγόνων, ιωνική ζωφόρο και γείσο πάνω στο οποίο εδράζονταν βάθρα για χορηγικούς τρίποδες. Η ζωφόρος έφερε διακόσμηση με ένα στεφάνι κισσού στο μέσον - έπαθλο των νικητών χορηγών των θεατρικών αγώνων - και άλλα δέκα στεφάνια ελιάς.

Σύμφωνα με την επιγραφή στο επιστύλιο, το μνημείο κτίσθηκε από το χορηγό Θράσυλλο επί άρχοντος Νεαίχμου, το 320/319 π.Χ. Επόμενη ιστορική φάση, τεκμηριωμένη και πάλι από τις κατακείμενες χορηγικές επιγραφές, είναι η αναμόρφωση του άνω μέρους και η ανίδρυση δύο ακόμη τριπόδων από το νικητή χορηγό Θρασυκλή, υιό του Θρασύλλου, επί άρχοντος Πυθαράτου, το 271/270 π.Χ. Η χρήση του σπηλαίου ως τόπου άσκησης λατρείας κατά την εγκαθίδρυση του χριστιανισμού, πρέπει να θεωρείται βέβαιη.

Από περιηγητές του 17ου αιώνα πιστοποιείται η ύπαρξη στο σπήλαιο ενός ιδιότυπου διμερούς ναϋδρίου, με την ονομασία «Παναγία η Σπηλιώτισσα», κατάλοιπα του οποίου σώζονται σήμερα στο εσωτερικό του σπηλαίου. Τη μορφή του Θρασυλλείου κατά την Τουρκοκρατία αποτύπωσαν πολλοί περιηγητές του 18ου και των αρχών του 19ου αι. Στην αρχική θέση του τρίποδα του Θρασύλλου, διακρίνεται σε όλα αυτά τα σχέδια ένα μαρμάρινο άγαλμα του Διονύσου, επέμβαση χρονολογούμενη ίσως στους ρωμαϊκούς χρόνους. Το άγαλμα αποσπάστηκε το 1802 για λογαριασμό του Λόρδου ΄Ελγιν και εκτίθεται σήμερα στο Βρετανικό Μουσείο.

Το μνημείο του Θρασύλλου, ενώ είχε διατηρηθεί σχεδόν ακέραιο για είκοσι αιώνες, καταστράφηκε το 1827, κατά την πολιορκία της Ακροπόλεως από τους Τούρκους.

Στα μέσα του 19ου αι. και ενώ η Αρχαιολογική Εταιρεία είχε εξαγγείλει την αναστήλωση του μνημείου, μέρος του εγκατάσπαρτου υλικού του διηρπάγη και αναλαξευμένο χρησιμοποιήθηκε στην αποκατάσταση της εκκλησίας της Σωτήρας του Νικοδήμου (Ρωσική Εκκλησία). Τα λεπτομερή σχέδια των J. Stuart και N. Revett που εκπονήθηκαν κατά τη διάρκεια της επίσκεψής τους στην Αθήνα το 1751-3, τεκμηριώνουν σχεδόν πλήρως τη μορφή και τις διαστάσεις του αρχαίου μνημείου και μαζί με νέες παρατηρήσεις και μετρήσεις επί των σωζόμενων μελών αποτέλεσαν τη βάση νέων αναλυτικών σχεδίων και προτάσεων για την αποκατάσταση του μνημείου από το 2002 και εξής.