Ο Ναός της Αρτέμιδας, δωρικός εν παραστάσει με οπισθόδομο, βρίσκεται στη ΒΔ γωνία του βράχου της Ακρόπολης, θεμελιωμένος σε ψηλό κλιμακωτό, σχήματος Γ ανάλλημμα από ισχυρούς πωρόλιθους. Σίγουρα δέσποζε με την καίρια θέση του και το ύψος του πάνω απ' όλα τα οικοδομήματα του ιερού τεμένους. Ήταν κατασκευασμένος από ντόπιο πωρόλιθο και κτίστηκε στα τέλη του 5ου αι. π.Χ. σε αντικατάσταση ενός παλαιότερου αρχαϊκού ναού, στη θέση του οποίου στέκει σήμερα το εκκλησάκι του Αγίου Γεωργίου.

Ο σηκός του ναού χωριζόταν με κιονοστοιχία σε 3 μέρη. Δεν είναι σίγουρο αν τα τριγωνικά αετώματα του ναού ήταν κοσμημένα με γλυπτές μαρμάρινες παραστάσεις ή αν ο ναός είχε ακρωτήρια στα αετώματά του. Στα τέλη του 5ου αι. διαμορφώθηκε άνδηρο, που χρησίμευε ως πλατεία για την παραμονή των πιστών. Η θέση του βωμού αμφισβητείται. Λογικά θα πρέπει να βρισκόταν στα ανατολικά του ναού, όπου σύγχρονα με το ναό ή αμέσως μετά κατασκευάστηκε αναλημματικός τοίχος σε σχήμα ανοικτού προς Βορρά Π (πι), που χρησίμευε και για την πραγματοποίηση ειδικών τελετών.

Τίποτε δε σώθηκε από το λατρευτικό άγαλμα της θεάς, το οποίο μερικοί ταυτίζουν με το "άγαλμα ορθόν" των επιγραφών της Αθηναϊκής Ακρόπολης και το αποδίδουν στον Πραξιτέλη, και στο οποίο έχουν αναφερθεί ο Ευρυπίδης, ο Παυσανίας και ο Πλούταρχος.

Στο ιερό εκτός από την Άρτεμη, που αποτελεί μια από τις αρχαιότερες θεές στο πάνθεον των θεών λατρευόταν η Ιφιγένεια, η Λητώ, ο Απόλλων και ο Διόνυσος. Τα πλούσια αναθήματα που βρέθηκαν και εκτίθενται στο Μουσείο αποδεικνύουν τη λατρεία της Αρτέμιδας ως θεάς της φύσης, κουροτρόφου, προστάτιδας των παιδιών, καθώς και των μικρών ζώων. Μια μεγαλοπρεπής πομπή (θεωρία) ξεκινούσε κάθε 5 χρόνια από την Ακρόπολη για να γιορτάσει τα Βραυρώνια στο ιερό της θεάς, κατά τη διάρκεια των οποίων εκτός από τις θυσίες πραγματοποιούνταν αθλητικοί και μουσικοί αγώνες, καθώς και αρματοδρομίες. Σηματική στιγμή της γιορτής ήταν η τελετή των αρκτείων με την οποίας τα νεαρά παιδιά αλοκλήρωναν τη μύησή τους. (Επρόκειτο για μια τελετή μυστηριακού χαρακτήρα, στην οποία έπαιρναν μέρος τα κορίτσια, πριν φθάσουν στην ηλικία της ήβης. Οι παρθένες, που ονομάζονταν άρκτοι, έπαιρναν υποχρεωτικά μέρος στην τελετή των Βραυρωνίων, που γινόταν κάθε τέσσερα χρόνια).

Η ακτινοβολία του ιερού της Βραυρωνίας εκτεινόταν βόρεια στο ιερό της Αρτέμιδας Ταυροπόλου, στο Δήμο Αραφηνίδων Αλών (σημερινή Λούτσα), καθώς σχετίζονται με την Ιφιγένεια , η οποία σύμφωνα με τον Ευρυπίδη ήταν κλειδούχος ιέρεια της Αρτέμιδας και λατρευόταν στη Βραυρώνα ως χθόνια ηρωίδα με κέντρο λατρείας το σπηλαιώδη τάφο της. Ειδικότερα στο ναό της Ταυροπόλου, που βρίσκεται πολύ κοντά στη θάλασσα υπήρχε δωρικός περίπτερος ναός (6Χ12 κίονες) ίδιου περίπου μεγέθους με αυτόν της Βραυρώνας. Στο ιερό τελούνταν τα Ταυροπόλια, όπου συμμετείχαν χοροί κοριτσιών από γειτονικούς δήμους, καθώς και μια γιορτή προς τιμήν του Διονύσου.

Σήμερα, από το ναό της Βραυρωνίας Αρτέμιδας σώζεται μόνο η κατώτατη στρώση θεμελίων και αυτή όμως είναι ελλιπής.