Το Λεωνιδαίο ήταν μεγάλος πολυτελής ξενώνας, που βρισκόταν στη νοτιοδυτική γωνία του ιερού, έξω από τον περίβολο της Άλτεως. Προοριζόταν για τη φιλοξενία των επισήμων, που έρχονταν στην Ολυμπία κατά τη διάρκεια τέλεσης των Ολυμπιακών Αγώνων. Κτίσθηκε περίπου το 330 π.Χ. και ανοικοδομήθηκε τουλάχιστον δύο φορές στους ρωμαϊκούς χρόνους. Οφείλει τό όνομά του στο δωρητή και αρχιτέκτονά του Λεωνίδη από τη Νάξο, όπως μας πληροφορεί η αναθηματική επιγραφή, που διατηρήθηκε σε τμήματα του επιστυλίου της εξωτερικής ιωνικής στοάς, σε περισσότερες από μία πλευρές του κτηρίου, και αναφέρει ''ΛΕΩΝΙΔΗΣ ΛΕΩΤΟΥ ΝΑΞΙΟΣ ΕΠΟΙΗΣΕ''. Το άγαλμα του Λεωνίδη, που ήταν ο χορηγός του κτιρίου, ήταν στημένο κοντά στη βορειοανατολική γωνία του κτηρίου, εκεί όπου βρέθηκε και το ενεπίγραφο βάθρο του.

Το Λεωνιδαίο είναι μεγάλο, σχεδόν τετράγωνο κτίσμα, που έχει εξωτερικά στις τέσσερις πλευρές του ιωνική κιονοστοιχία, αποτελούμενη συνολικά από 138 κίονες με ύψος 5,55 μ. Στο κέντρο του βρίσκεται μία αυλή, με περιστύλιο που αποτελείται από 44 δωρικούς κίονες. Ανάμεσα στις δύο κιονοστοιχίες αναπτύσσονται στις τέσσερις πλευρές του κτηρίου τα δωμάτια, που βλέπουν προς την αυλή. Τα πιο ευρύχωρα δωμάτια βρίσκονται στη δυτική πλευρά του, που είχε βάθος 15 μ., ενώ οι υπόλοιπες είχαν βάθος 10 μ. Ανά μία είσοδος υπήρχε στη νότια και βόρεια πλευρά. Επεμβάσεις στο κτήριο έγιναν στα ρωμαϊκά χρόνια, οπότε και διαμορφώθηκε τεχνητή διακοσμητική λίμνη στην κεντρική αυλή. Τότε το κτήριο χρησιμοποιείτο ως κατοικία των Ρωμαίων αξιωματούχων.

Το μνημείο αποκαλύφθηκε πλήρως κατά τις νεότερες γερμανικές ανασκαφές και κατά το 2003 πραγματοποιήθηκαν εργασίες συντήρησης και στερέωσης των κονιαμάτων των τοίχων. Τμήμα της περίτεχνης διακοσμητικής πήλινης σίμης του κτηρίου μπορεί να θαυμάσει ο επισκέπτης στο Αρχαιολογικό Μουσείο Ολυμπίας.