Το Βραυρώνιο βρίσκεται στην εσωτερική πλευρά του νότιου τείχους της Ακρόπολης, αμέσως νότια των Προπυλαίων. Ήταν ιερό αφιερωμένο στη Βραυρωνία Αρτέμιδα, προστάτιδα των επιτόκων και των λεχώνων, και θεωρείται ότι λειτουργούσε ως παράρτημα του μεγάλου ιερού της θεάς που βρίσκεται στη Βραυρώνα της Αττικής. Η ίδρυσή του χρονολογείται στα μέσα του 6ου αι. π.Χ. και αποδίδεται στον τύραννο Πεισίστρατο, ο οποίος καταγόταν από την περιοχή της Βραυρώνας.

Το κύριο μέρος του ιερού ήταν ήταν μία δωρική στοά σε σχήμα Π, με μήκος περίπου 38 μ. και πλάτος 7 μ. Ήταν ανοικτή προς βορρά με δέκα κίονες στην πρόσοψη, ενώ η νότια, πίσω πλευρά της ακολουθούσε την πορεία του νότιου τείχους του βράχου. Στα άκρα της σχηματίζονταν δύο προεξέχουσες κλειστές πτέρυγες, διαστάσεων περίπου 10 x 7 μ. η καθεμία, όπου φυλάσσονταν οι «θησαυροί». Προς βορρά ο χώρος έκλεινε με περίβολο, στη βορειοανατολική γωνία του οποίου βρισκόταν η είσοδος του ιερού. Κατά τον 5ο αι. π.Χ., πιθανότατα κατά την οικοδόμηση της μνημειακής εισόδου των Προπυλαίων από το Μνησικλή, κατασκευάσθηκε η κλίμακα της εισόδου με τις επτά βαθμίδες, που είναι σήμερα ορατή, καθώς και ο βόρειος τοίχος του περιβόλου. Ο υπαίθριος χώρος που σχηματιζόταν ήταν τριγωνικός και εκεί ήταν τοποθετημένα τα αναθήματα των πιστών. Στο εσωτερικό του ιερού, ίσως σε κάποια από τις πτέρυγες, θα φυλασσόταν το ξύλινο άγαλμα (ξόανο), αφιερωμένο στην Αρτέμιδα, αντίστοιχο με εκείνο που υπήρχε στο ιερό της στη Βραυρώνα. Από τα μέσα του 4ου αι. π.Χ., σύμφωνα με τον Παυσανία, υπήρχε ένα δεύτερο άγαλμα της θεάς, έργο του γλύπτη Πραξιτέλη. Η κεφαλή αυτού του αγάλματος εκτίθεται σήμερα στο Μουσείο Ακροπόλεως. Σε μεταγενέστερη εποχή, πιθανότατα τον 4ο αι. π.Χ., οικοδομήθηκε μπροστά από την ανατολική πτέρυγα της στοάς μια νέα ορθογώνια κατασκευή. Είχε μήκος περίπου 17 μ. και πλάτος ίδιο με την αρχική ανατολική πτέρυγα του ιερού, μαζί με την οποία αποτελούσε το όριο του χώρου προς τα ανατολικά.

Σήμερα από το μνημείο διακρίνονται μόνο μερικά λαξεύματα στο βράχο, που υποδηλώνουν τη θέση και την πρόσβαση προς το ιερό και ανήκουν κυρίως σε υποδοχές και θεμελιώσεις τοίχων.