Ένα από τα σημαντικά ιερά που υπήρχαν στο Δίο και το παλιότερο ήταν αυτό της Δήμητρας. Λίγο έξω από τα τείχη και την πύλη του κεντρικού δρόμου εντοπίστηκαν δύο διθάλαμα κτίρια, με πρόσοψη στην ανατολή και διαστάσεις 11 x 7 μ. Κατά τη διάρκεια των ερευνών βρέθηκε μαρμάρινη κεφαλή, η οποία τυπολογικά παρέπεμπε στη θεά Δήμητρα και ανάγεται στα τέλη του 4ου αιώνα π.Χ. Το γεγονός ότι επρόκειτο για Ιερό αφιερωμένο στη Δήμητρα, επιβεβαίωσε και η εύρεση σχετικής αναθηματικής επιγραφής. Οι δίδυμοι ναοί κτίστηκαν προκειμένου να αντικαταστήσουν δύο παλαιότερους ναούς του ύστερου 6ου αιώνα π.Χ., τα θεμέλια των οποίων είναι ορατά πίσω από τους νεότερους ναούς. Οι αρχαϊκοί αυτοί ναοί έχουν τη μορφή του μεγάρου και είναι κατασκευασμένα από καλοβαλμένες πέτρες και ωμές πλίνθους. Διέθεταν στο εσωτερικό τους ξύλινα θρανία, όπου οι πιστοί απόθεταν τα διάφορα αφιερώματα.

Στα τέλη του 4ου αιώνα π.Χ. αντικαταστάθηκαν τα δύο μεγαροειδή κτίσματα από δύο ναούς εν παραστάσι, δωρικού ρυθμού. Στο εσωτερικό τους υπήρχαν βάσεις για τα λατρευτικά αγάλματα. Σε μια από αυτές τις βάσεις βρέθηκε το μαρμάρινο κεφάλι της θεάς Δήμητρας. Πρόκειται για γλυπτό που χρονολογείται στα τέλη του 4ου αιώνα π.Χ. και επιβεβαιώνει, ότι το ιερό ήταν αφιερωμένο σ΄αυτήν. Για τις θυσίες κατασκευάστηκαν βωμοί στα ανατολικά του ιερού. Τα δύο αυτά κτήρια του 4ου αιώνα π.Χ. αποτελούσαν τον πυρήνα του συγκροτήματος, το οποίο πλαισιωνόταν από μικρότερους μονοθάλαμους «οίκους» λατρείας των κλασικών και ελληνιστικών χρόνων. Οι ναΐσκοι διέθεταν λατρευτικό άγαλμα και λίθινα τραπέζια μπροστά από αυτό, όπου εναποθέτονταν πιθανόν οι πρώτοι καρποί της συγκομιδής.

Το Ιερό της Δήμητρας στο Δίον είναι το παλαιότερο γνωστό σήμερα μακεδονικό Ιερό, η ζωή του οποίου υπήρξε συνεχής ως τις αρχές του 4ου αιώνα μ.Χ.