Δυτικά της Άλτεως, έξω από τον ιερό περίβολο και ακριβώς απέναντι από το ναό του Δία, βρίσκεται το εργαστήριο του Φειδία. Εδώ ο μεγάλος γλύπτης της αρχαιότητας φιλοτέχνησε το τεράστιο χρυσελεφάντινο άγαλμα του θεού, το οποίο ήταν ένα από τα επτά θαύματα του αρχαίου κόσμου. Το εργαστήριο οικοδομήθηκε στο β΄ μισό του 5ου αι. π.Χ., όταν ο Φειδίας, μετά τα έργα του στην Ακρόπολη της Αθήνας, ήλθε στην Ολυμπία για την κατασκευή του αγάλματος. Τα ευρήματα και η κεραμική που προέρχονται από το μνημείο το χρονολογούν με ακρίβεια στην περίοδο 430-420 π.Χ. Αργότερα, το εργαστήριο μετατράπηκε σε χώρο λατρείας. Ο Παυσανίας αναφέρει (5.15.1), ότι όταν επισκέφθηκε το ιερό, το 2ο αι. μ.Χ., στο εσωτερικό του υπήρχε βωμός όπου γίνονταν θυσίες σε όλους τους θεούς. Τον 5ο αι. μ.Χ. στα ερείπια του κτηρίου κτίσθηκε μία παλαιοχριστιανική βασιλική.

Το εργαστήριο είχε περίπου τις ίδιες διαστάσεις με το σηκό του ναού του Δία (μήκος 32,18 μ. και πλάτος 14,50 μ.), ακριβώς για να εξυπηρετεί την κατασκευή του αγάλματος. Έχει προσανατολισμό Α-Δ, με ορθογώνια στενόμακρη κάτοψη και είσοδο στην ανατολική στενή πλευρά. Ήταν κτισμένο από κογχυλιάτη λίθο και το εσωτερικό του χωριζόταν σε τρία κλίτη από δύο σειρές κιόνων. Στο κεντρικό, πιο πλατύ κλίτος είχε στηθεί το χρυσελεφάντινο άγαλμα, το οποίο είχε ξύλινο πυρήνα και πάνω του ο καλλιτέχνης τοποθετούσε τα χρυσά ελάσματα, τα ελεφάντινα και τα γυάλινα τμήματα. Φαίνεται ότι η επεξεργασία αυτών των τμημάτων γινόταν στα δωμάτια που βρίσκονται νότια και κατά μήκος του κτηρίου, όπου ήταν το κυρίως εργαστήριο. Από τα δωμάτια αυτά προέρχεται μεγάλος αριθμός ευρημάτων, όπως πήλινες μήτρες, που χρησίμευαν στην κατασκευή των πτυχώσεων του ιματίου του αγάλματος, τεμάχια ελεφαντοστού και ημιπολύτιμων λίθων, οστέινα εργαλεία χρυσοχοϊκής, καθώς και γυάλινα φύλλα ανθεμίων. Ένα από τα σημαντικότερα ευρήματα του εργαστηρίου είναι μία μικρή μελαμβαφής οινοχόη, στη βάση της οποίας είναι χαραγμένη η επιγραφή ΦΕΙΔΙΟ ΕΙΜΙ, δηλαδή ''ανήκω στον Φειδία''. Το τελικό στήσιμο του αγάλματος προφανώς θα έγινε μέσα στο μεγάλο ναό του Δία, όπου μεταφέρθηκε και παρέμεινε για οκτώ περίπου αιώνες. Ο θεός απεικονιζόταν καθισμένος στο θρόνο του. Το πρόσωπο και τα γυμνά μέρη του σώματός του ήταν από ελεφαντόδοντο, ενώ το ιμάτιο που φορούσε ήταν από χρυσό, διακοσμημένο με γυάλινα άνθη και ημιπολύτιμους λίθους. Ο θρόνος όπου καθόταν ο θεός ήταν επίσης από χρυσό και έφερε διακόσμηση από μυθολογικές παραστάσεις.

Αργότερα, μεταξύ του 435 και 451 μ.Χ., πάνω στους ορθοστάτες του αρχαίου κτηρίου οικοδομήθηκε η παλαιοχριστιανική βασιλική. Ήταν ξυλόστεγη, τρίκλιτη και το ιερό της σχηματίσθηκε με την προσθήκη αψίδας στα ανατολικά, εκεί που βρισκόταν η είσοδος του εργαστηρίου. Το ιερό χωριζόταν από το σηκό με μαρμάρινα χαμηλά θωράκια, τα οποία διατηρούνται στη θέση τους έως σήμερα. Οι τοίχοι ήταν κτισμένοι με πλακαρές οπτοπλίνθους και το δάπεδο ήταν στρωμένο με μαρμάρινες πλάκες, οι οποίες αφαιρέθηκαν κατά την ανασκαφή, προκειμένου να μελετηθεί το παλαιότερο δάπεδο του εργαστηρίου. Η είσοδος της εκκλησίας είναι στη νότια πλευρά του νάρθηκα. Στο νάρθηκα βρέθηκαν χριστιανικές επιγραφές που μας δίνουν πληροφορίες σχετικά με τη μαρμαρόστρωση του δαπέδου, καθώς και στοιχεία για τα επαγγέλματα της εποχής. Η βασιλική της Ολυμπίας είναι η αρχαιότερη γνωστή παλιοχριστιανική εκκλησία της Ηλείας, και καταστράφηκε από το σεισμό του 551 μ.Χ.

Το μνημείο καθαρίσθηκε αρχικά το 1829 από μέλη της γαλλικής αποστολής και από τότε υπήρχε η πεποίθηση ότι εκεί βρισκόταν και το εργαστήριο του Φειδία, η αποκάλυψη και μελέτη του οποίου ολοκληρώθηκε μεταπολεμικά, με τις γερμανικές ανασκαφές.