Ο αρχαιολογικός χώρος της Δωδώνης περιλαμβάνει το ιερό του Δία, που βρίσκεται στους πρόποδες του λόφου και ορίζεται από περίβολο, και την ακρόπολη του οικισμού, που καταλαμβάνει την κορυφή του λόφου. Το ιερό, παρά τη σημασία του, δεν εμφανίζει πλούσια οικοδομική δραστηριότητα. Για μεγάλο χρονικό διάστημα λειτουργούσε ως υπαίθριο, με έναν απλό οίκο για τις ανάγκες της λατρείας. Αυξημένη οικοδομική δραστηριότητα παρατηρείται από τα τέλη του 4ου αι. π.Χ. και κυρίως στον 3ο αι. π.Χ., με την κατασκευή μεγάλων κτηρίων, τα ερείπια των οποίων είναι σήμερα κυρίως ορατά.

Το ιερό ορίζεται από περίβολο, που στην ανατολική πλευρά αποτελεί συνέχεια του περιβόλου της ακρόπολης. Στην ανατολική πλευρά ήταν και η είσοδός του. Δίπλα της βρίσκονται ο δωρικός ναός και ο βωμός του Ηρακλή (κτήριο Α) και οι δύο μικροί ιωνικοί ναοί της Διώνης, συζύγου του Δία, ο αρχαίος (κτήριο Γ) και ο νέος (κτήριο Θ), ο οποίος κτίσθηκε μετά την καταστροφή του πρώτου από τους Αιτωλούς. Επάνω στο βόρειο τμήμα του ναού του Ηρακλή σώζονται τα ερείπια μιας βασιλικής, που παρουσιάζουν δύο οικοδομικές φάσεις. Στα δυτικά των αρχαίων ναών δεσπόζει το σημαντικότερο κτίσμα του ιερού, η Ιερά Οικία ή ναός του Δία (κτήριο Ε1), τετράγωνο οικοδόμημα με τέσσερις τουλάχιστον οικοδομικές φάσεις. Ο πρώτος μικρός ναός κτίσθηκε στις αρχές του 4ου αι. π.Χ. και ακολούθησαν επεκτάσεις και διορθωτικές επεμβάσεις του κατά τον 4ο, 3ο και 2ο αι. π.Χ. Το κεντρικό σημείο, στο οποίο βρισκόταν η ιερή βελανιδιά με το ναό του Δία, έκανε μάλλον τον Παυσανία να τα χαρακτηρίσει «θέας άξια» (1.17.5). Ο ναός του Δία πλαισιωνόταν στα δυτικά από τους ναούς της Θέμιδος (κτήριο Ζ) και της Αφροδίτης (κτήριο Λ). Βόρεια του ναού της Θέμιδος ο Ευαγγελίδης είχε ανασκάψει παλαιότερα ένα συλημένο κιβωτιόσχημο τάφο, του οποίου ο χρόνος κατασκευής και η σημασία είναι άγνωστα. Νοτιοδυτικά του ναού της Αφροδίτης έχουν επισημανθεί δύο άλλα οικοδομήματα, πιθανώς ναοί, που δεν έχουν ανασκαφεί (σήμερα δεν είναι ορατά), τα οποία έκλειναν από δυτικά την αμφιθεατρική διάταξη των λατρευτικών κτηρίων. Τα υπόλοιπα οικοδομήματα στο δυτικό μέρος του ιερού παραπέμπουν στη μνημειακή μορφή που απέκτησε ο χώρος στις αρχές του 3ου αι. π.Χ. με το οικοδομικό πρόγραμμα του Πύρρου. Πρόκειται για το βουλευτήριο (κτήριο Ε2), όπου συνεδρίαζε το Κοινό των Ηπειρωτών, το πρυτανείο (κτήριο Ο), το θέατρο και το στάδιο. Μεταξύ βουλευτηρίου και θεάτρου βρισκόταν και η οικία των ιερέων (κτήριο Μ), το αρχαιότερο κτίσμα του ιερού μετά την ιερή οικία, που χρησίμευε ως κατάλυμα των ιερέων του Δία ή των ηγεμόνων του Κοινού των Μολοσσών.

Βόρεια του ιερού, στην κορυφή του λόφου δεσπόζει η αρχαία ακρόπολη, που φαίνεται ότι χρησίμευε ως καταφύγιο των περιοίκων σε ώρα κινδύνου και ως μόνιμη κατοικία των αρχών, που είχαν την έδρα τους στη Δωδώνη. Η ακρόπολη περιβάλλεται από ισοδομικό τείχος του 4ου αι. π.Χ., με περίμετρο γύρω στα 750 μ., το οποίο κατά διαστήματα ενισχύεται με ορθογώνιους πύργους, ιδίως στη δυτική και βόρεια πλευρά, που ήταν πιο βατές. Είχε μία μεγάλη πύλη στη νοτιοδυτική πλευρά, που επικοινωνούσε απευθείας με το θέατρο και το ιερό, μία μικρότερη στο μέσο του νότιου τείχους, και μία ανατολικά, που οδηγούσε προς την πεδιάδα των Ιωαννίνων. Στην ακρόπολη διακρίνονται μερικά θεμέλια κτηρίων που δεν έχουν ερευνηθεί, όπως και μία υπόγεια δεξαμενή νερού, λαξευμένη στο βράχο, που χρησίμευε για την ύδρευση των κατοίκων σε περίοδο ανάγκης. Η στέγη της δεξαμενής στηριζόταν σε δύο πεσσούς και τα τοιχώματά της καλύπτονταν με υδατοστεγές κονίαμα.