Το Ιερό των Μεγάλων Θεών, όπου βρέθηκε το 1863 το περίφημο άγαλμα της Νίκης (Περίβολος της Νίκης: 12) απέχει περίπου 400 μ. από τη σημερινή βορειοδυτική ακτή του νησιού και έχει έκταση 50 περίπου στρεμμάτων. Τα σημαντικότερα και αρχαιότερα κτίρια συνωστίζονται στη ομαλή πλαγιά ανάμεσα σε δυο ρέματα: το Κτίριο του Τελετουργικού Χορού (17, γύρω στο 340 π.Χ.), η Αυλή του Βωμού (14, 340-330 π.Χ. περίπου), το ?ερ?ν (15, 325-150 π.Χ.), το Ανάθημα των Φιλίππου Γ΄ και Αλεξάνδρου Δ΄ (24, 323-317 π.Χ.), η Θόλος της Αρσινόης Β΄ (20, 288-270 π.Χ.). Στο δυτικό τμήμα του χώρου βρίσκονται η Στοά (11, πρώτο μισό του 3ου αι. π.Χ.), το Νεώριον (29, δεύτερο τέταρτο του 3ου αι. π.Χ.), το Ανάθημα της Μιλησίας (6, δεύτερο μισό του 3ου αι. π.Χ.), και στην ανατολική άκρη το Πρόπυλο του Πτολεμαίου Β΄ (26, 285-281 π.Χ.). Οι πρωιμότερες ενδείξεις θρησκευτικής δραστηριότητας χρονολογούνται στον 7ο αιώνα π.Χ., αλλά η κατασκευή μνημειακών κτιρίων άρχισε μόλις στον 4ο αιώνα π.Χ. και συνδέεται με τη γενναιοδωρία και τα πολιτικά ενδιαφέροντα του Μακεδονικού βασιλικού οίκου, ήδη από τη Βασιλεία του Φιλίππου Β΄. Το ιερό που γνώρισε τη μεγαλύτερή του δόξα στους 3ο και 2ο αιώνες π.Χ. εγκαταλείπεται προς το τέλος του 4ου αιώνα μ.Χ. Η αρχαιολογική έρευνα έχει δώσει μια εικόνα της εξέλιξής του, μολονότι ούτε τα αρχαιολογικά δεδομένα ούτε τα κείμενα της αρχαίας γραμματείας είναι ικανά να διαπεράσουν τον πέπλο μυστικότητας που καλύπτει τα μυστήρια.

Παρόλο που εξερευνήθηκε ήδη από το 1444 (Κυριακ?ς ? ?ξ ?γκ?νος), το Ιερό των Μεγάλων Θεών ανασκάφηκε συστηματικά για πρώτη φορά το 1873 και το 1875 από δυο Αυστριακές αποστολές με επικεφαλής τον A. Conze. Από το 1938 οι εργασίες στον χώρο διεξάγονται από το Ινστιτούτο Καλών Τεχνών του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης (K. Lehmann, J. R. McCredie, B. D. Wescoat), από το 1964 με την εποπτεία της ΙΘ΄ Εφορείας Προϊστορικών & Κλασικών Αρχαιοτήτων. Οι προσπάθειες αυτά τα χρόνια εστιάστηκαν στην ανασκαφή, δημοσίευση και παρουσίαση των μνημείων. Στη διάρκεια των τελευταίων 20 χρόνων η ΙΘ΄ Εφορεία Προϊστορικών & Κλασικών Αρχαιοτήτων έχει αναλάβει ενεργό ρόλο στη συντήρηση και διαχείριση του αρχαιολογικού χώρου.