Κατά τους ελληνιστικούς χρόνους στην επίπεδη περιοχή βορειοδυτικά της Ιεράς Άλτεως και ανατολικά της κοίτης του ποταμού Κλαδέου οικοδομείται το Γυμνάσιο, επίμηκες μνημειώδες κτιριακό συγκρότημα. Το Γυμνάσιο βρίσκεται προς Βορρά της προγενέστερης Παλαίστρας, με την οποία αποτελούν τις κύριες εγκαταστάσεις για την προετοιμασία των αθλητών στην Ολυμπία. Εδώ γυμνάζονταν οι αθλητές των αγωνισμάτων του δρόμου και του πεντάθλου.

Το οικοδόμημα αναπτύσσεται στον άξονα Βορρά-Νότου και αποτελείται από τέσσερις στοές που περιβάλλουν τον κεντρικό αύλειο χώρο. Τα επιμέρους τμήματα του κτιρίου οικοδομούνται σταδιακά, ενώ η ακριβής χρονολόγησή τους δεν είναι εξακριβωμένη προς το παρόν. Το οικοδόμημα με μήκος 220 και πλάτος 120 μ., έχει διαστάσεις ανάλογες του Σταδίου και καλύπτει μια επιφάνεια που υπερβαίνει τα 26 στρέμματα.

Αρχικά, κατά τον πρώιμο 2ο αι. π.Χ., οικοδομείται η νότια στοά του κτιρίου, μονόκλιτη, με ιωνική κιονοστοιχία κατά τον Mallwitz ή με δωρική κατά τον Graef και με την ανοικτή πλευρά της στραμμένη βόρεια προς τον κεντρικό αύλειο χώρο.

Η στοά αναπτύσσεται σε επαφή με τη βόρεια στοά της Παλαίστρας, με την οποία έχει ουσιαστικά κοινό πίσω τοίχο με άνοιγμα που τις συνδέει. Θα ακολουθήσει η οικοδόμηση της ανατολικής στοάς τον 2o αι. π.Χ. Η στοά, δίκλιτη και με την ανοιχτή πλευρά της στραμμένη δυτικά προς τον κεντρικό αύλειο χώρο, έχει μήκος 212,05 και βάθος 11,50 μ. Εξωτερικά του ανατολικού τοίχου της κατά διαστήματα υπάρχουν αντηρίδες, ενώ το κάτω τμήμα του αποτελείται από τρεις δόμους από λιθοπλίνθους από πωρόλιθο και η ανωδομή του ήταν πλινθόκτιστη. Η εξωτερική κιονοστοιχία του αριθμούσε 60 κίονες και η εσωτερική 66 που εδράζονται σε μεμονωμένες βάσεις. Οι δύο δωρικές κιονοστοιχίες είναι ιδιαιτέρως αραιόστυλες (3,14 μ.), γεγονός που προϋποθέτει την ύπαρξη ξύλινου θριγκού. Η στοά φιλοξενούσε τον ξυστό, τον στεγασμένο στίβο όπου προπονούνταν οι δρομείς όταν οι καιρικές συνθήκες ήταν κακές. Ο υπαίθριος διάδρομος παράλληλα του ξυστού, ήταν η παραδρομίς. Κατά μήκος του στυλοβάτη της εξωτερικής κιονοστοιχίας είχε κατασκευαστεί πώρινο αυλάκι απορροής των υδάτων.

Πιθανώς τον 2ο με 3ο αι. μ.Χ. αντικαθίσταται η πλίνθινη ανωδομή του εξωτερικού τοίχου από ανάμεικτη τοιχοποιία πλίνθων, λίθων και μεμονωμένων μελών σε β΄ χρήση. Από την στοά σώζεται η θεμελίωση, το κατώτερο πώρινο τμήμα των τοίχων με μικρά τμήματα της ύστερης ανωδομής, ο στυλοβάτης με τον πώρινο αγωγό, καθώς και ραβδωτοί και αρράβδωτοι σπόνδυλοι κιόνων και κιονόκρανα.

Η πρόσφατη ανασκαφή από την ΕΦΑ Ηλείας έφερε στο φως σε μεγάλη έκταση στην εσωτερική πλευρά του ανατολικού τοίχου επίχρισμα και μεγάλη ποσότητα κονιάματος πεσμένου σε μικρή απόσταση δυτικά αυτού με κατάλοιπα γραπτής διακόσμησης με κυματοειδείς ταινίες, γεγονός που δείχνει ότι ήταν ο τοίχος εσωτερικά έφερε γραπτό διάκοσμο.

Στα τέλη του 2ου ή και στον 1ο αι. π.Χ. στη νοτιοανατολική γωνία του οικοδομήματος και αντίκρυ στην παρά το Πρυτανείο είσοδο της Ιεράς Άλτεως, διαμορφώνεται ιδιαίτερα κομψό αμφιπρόστυλο μνημειακό πρόπυλο. Αποτελείται από βαθμιδωτή κρηπίδα, στην οποία εδράζονταν δεκαοκτώ κίονες κορινθιακού ρυθμού που διαμόρφωναν τρίκλιτη είσοδο. Ιδιαίτερα περίτεχνη ήταν η διακόσμηση του θριγκού με ανάγλυφα βουκράνια και ρόδακες, ενώ η οροφή ήταν διαμορφωμένη με λίθινα φατνώματα. Στην παλαιοχριστιανική εποχή κατεδαφίστηκε και κάποια μέλη του χρησιμοποιήθηκαν στην παλαιοχριστιανική βασιλική.

Από τη βόρεια στοά του Γυμνασίου μικρό μόνο τμήμα έχει εντοπισθεί ανάντι της επαρχιακής οδού Ολυμπίας-Λιναριάς, ενώ οι πλημμύρες του ποταμού Κλαδέου του 4ου αι. μ.Χ. έχουν πιθανώς παρασύρει στο σύνολό της τη δυτική στοά από την οποία έχουν εντοπισθεί μόνον ίχνη, η οποία πιθανώς ήταν διώροφη και χρησιμοποιούνταν ως κατάλυμα των αθλητών.

Tο κτίριο του Γυμνασίου ερευνήθηκε από το Γερμανικό Αρχαιολογικό Ινστιτούτο για πρώτη φορά τα έτη 1878-1880, οπότε και ήρθαν στο φως το πρόπυλο, η νότια στοά και το νότιο τμήμα της ανατολικής στοάς και εντοπίστηκε το βόρειο πέρας της, ενώ το 1936 αποκαλύφθηκε βορειότερο τμήμα της ανατολικής και τμήμα της βόρειας στοάς. Τα έτη 2013-2015 η ΕΦΑ Ηλείας προχώρησε στη διερεύνηση της ανατολικής στοάς και της αυλής του μνημείου σε συνέχεια του προς βορρά ήδη ανεσκαμμένου από το Γερμανικό Αρχαιολογικό Ινστιτούτο τμήματος της σε συνολική έκταση πλέον των 1.000 τ.μ., ενώ ανατολικά του κτιρίου εντοπίστηκε κτιριακό συγκρότημα υστερορρωμαϊκών χρόνων. Αξίζει να σημειωθεί ότι η ανασκαφή αυτή αποτέλεσε την πρώτη της Αρχαιολογικής Υπηρεσίας εντός του οργανωμένου Αρχαιολογικού Χώρου