Ο μεγαλοπρεπής ναός του Δία ήταν το σημαντικότερο οικοδόμημα της Άλτεως στην Ολυμπία και δέσποζε σε περίοπτη θέση στο κέντρο της. Πρόκειται για το μεγαλύτερο ναό της Πελοποννήσου, ο οποίος θεωρείται η τέλεια έκφραση, ο «κανών? της δωρικής ναοδομίας. Κτίσθηκε από τους Ηλείους προς τιμήν του Δία με τα λάφυρα από τους νικηφόρους πολέμους, που διεξήγαν κατά των τριφυλιακών πόλεων. Η ανέγερσή του άρχισε το 470 π.Χ. και ολοκληρώθηκε το 456 π.Χ. Η χρονολόγηση αυτή προκύπτει από την αναθηματική επιγραφή των Λακεδαιμονίων, οι οποίοι μετά τη νίκη τους κατά των Αθηναίων και των συμμάχων τους στη μάχη της Τανάγρας (457 π.Χ.), αφιέρωσαν χρυσή ασπίδα, που είχε αναρτηθεί κάτω από το κεντρικό ακρωτήριο του αετώματος. Αρχιτέκτων του ναού ήταν ο Λίβωνας ο Ηλείος, ενώ άγνωστος παραμένει ο καλλιτέχνης των αετωμάτων.

Ο ναός έχει προσανατολισμό Α-Δ και είναι περίπτερος με έξι κίονες στις στενές και δεκατρείς στις μακρές πλευρές. Το ύψος των κιόνων ήταν 10,43 μ. και η κατώτερη διάμετρός τους 2,25 μ. Οι κίονες και οι τοίχοι ήταν κατασκευασμένοι από ντόπιο κογχυλιάτη λίθο και καλυμμένοι με λευκό μαρμαροκονίαμα, ενώ μόνο τα γλυπτά των αετωμάτων, η κεράμωση και οι λεοντοκεφαλές-υδρορρόες ήταν από μάρμαρο. Ο ναός αποτελείται από πρόναο, σηκό και οπισθόδομο. Ο πρόναος και ο οπισθόδομος είναι δίστυλοι εν παραστάσι και στο δάπεδο του προνάου σώζεται ψηφιδωτό δάπεδο ελληνιστικών χρόνων με παράσταση τριτώνων. Μπροστά στην είσοδο του προνάου, σε μικρό τετράγωνο χώρο που είναι στρωμένος με εξαγωνικές μαρμάρινες πλάκες, γινόταν η στέψη των Ολυμπιονικών. Ο σηκός χωρίζεται σε τρία κλίτη από δύο σειρές δίτονης κιονοστοιχίας, με επτά δωρικούς κίονες η καθεμία. Στο βάθος του σηκού ήταν τοποθετημένο το χρυσελεφάντινο άγαλμα του Δία, ένα από τα επτά θαύματα του αρχαίου κόσμου. Κατασκευάσθηκε από το Φειδία γύρω στο 430 π.Χ. και είχε ύψος πάνω από 12 μ. Ο θεός παριστανόταν καθισμένος στο θρόνο του, κρατώντας στο αριστερό χέρι σκήπτρο και στο δεξί μία φτερωτή Νίκη. Τα γυμνά μέρη του σώματός του ήταν από ελεφαντόδοντο, ενώ από χρυσό ήταν το ιμάτιό του και ο θρόνος, που έφερε ανάγλυφες μυθολογικές παραστάσεις. Μετά την κατάργηση των Ολυμπιακών Αγώνων, το άγαλμα μεταφέρθηκε στην Κωνσταντινούπολη, όπου και καταστράφηκε από φωτιά γύρω στο 475 μ.Χ. Η μορφή του μας είναι γνωστή από απεικονίσεις του σε αρχαία νομίσματα και από την περιγραφή του περιηγητή Παυσανία (5.11). Ο ναός έφερε πλούσιο γλυπτό διάκοσμο, εξαίρετο δείγμα του αυστηρού ρυθμού. Στο ανατολικό αέτωμα απεικονίζεται η αρματοδρομία μεταξύ του Πέλοπα και του Οινομάου, με κεντρική μορφή τον Δία, κύριο του ιερού και κριτή του αγώνα, ενώ στο δυτικό απεικονίζεται η Κενταυρομαχία, δηλαδή η μάχη μεταξύ των Λαπιθών και των Κενταύρων, με κεντρική μορφή τον Απόλλωνα. Στις δώδεκα μετόπες, που βρίσκονταν ανά έξι επάνω από την είσοδο του πρόναου και του οπισθόδομου, απεικονίζονται οι άθλοι του Ηρακλή, μυθικού γιου του Δία. Οι εξωτερικές μετόπες της περίστασης του ναού ήταν ακόσμητες. Αργότερα, επάνω σε αυτές αναρτήθηκαν 21 χάλκινες, επίχρυσες ασπίδες, που αφιέρωσε στο ναό ο Ρωμαίος ύπατος Μόμμιος προς τιμήν του Δία, σε ανάμνηση της νίκης του επί των Ελλήνων στον Ισθμό (146 π.Χ.). Το κεντρικό ακρωτήριο του ανατολικού αετώματος ήταν μία επίχρυση Νίκη, έργο του γλύπτη Παιωνίου, ενώ στα πλαϊνά ακρωτήρια είχε τοποθετηθεί από ένας επίχρυσος λέβητας. Ο ναός υπέστη σοβαρή καταστροφή, όταν πυρπολήθηκε ύστερα από διαταγή του Θεοδοσίου Β΄ το 426 μ.Χ., ενώ αργότερα, το 522 και 551 μ.Χ. γκρεμίσθηκε από τους δύο μεγάλους σεισμούς.

Η πρώτη ανασκαφή του μνημείου έγινε το 1829 από τη γαλλική αποστολή και η αποκάλυψή του ολοκληρώθηκε κατά την διάρκεια των γερμανικών ανασκαφών.Ο γλυπτός διάκοσμος έχει αποκατασταθεί σχεδό στο σύνολό του και εκτίθεται στο Αρχαιολογικό Μουσείο Ολυμπίας. Τμήματα από τις ανάγλυφες μετόπες βρίσκονται στο Μουσείο του Λούβρου από το 19ο αιώνα, οπότε και μεταφέρθηκαν από τη γαλλική αποστολή του Maison. Πρόσφατα αναστηλώθηκε ο ΒΔ κίονας της περίστασης.