Για την κατασκευή του έχει χρησιμοποιηθεί ανοιχτόχρωμος τοπικός ασβεστόλιθος, ενώ ορισμένα μέρη της οροφής, τα κιονόκρανα του σηκού και ο γλυπτός διάκοσμος είναι από μάρμαρο. Ο ναός είναι ο μοναδικός που συνδυάζει στοιχεία των τριών αρχιτεκτονικών ρυθμών της αρχαιότητας. Είναι δωρικός, περίπτερος, δίστυλος εν παραστάσι, με πρόναο, σηκό, άδυτο και οπισθόδομο.

Το ναό περιέτρεχε εξωτερικά δωρική ζωφόρος με ακόσμητες μετόπες και τρίγλυφα, ενώ ανάγλυφη διακόσμηση έφεραν μόνο οι εσωτερικές μετόπες των στενών πλευρών. Οι έξι μετόπες του πρόναου απεικόνιζαν την επιστροφή του Απόλλωνα στον Όλυμπο από τις Υπερβόρειες χώρες, και του οπισθόδομου την αρπαγή των θυγατέρων του Μεσσήνιου βασιλιά Λεύκιππου από τους Διόσκουρους. Τα αετώματα δεν είναι βέβαιο ότι έφεραν γλυπτό διάκοσμο. 

Το βασικότερο διακοσμητικό στοιχείο του ναού ήταν η μαρμάρινη ιωνική ζωφόρος, που υπήρχε πάνω από τους ιωνικούς ημικίονες μέσα στο σηκό. Είχε συνολικό μήκος 31 μ. και αποτελείτο από 23 μαρμάρινες πλάκες. Στις 12 απεικονίζεται η Αμαζονομαχία και στις υπόλοιπες 11 η Κενταυρομαχία. Κατά την ανασκαφή του 1812 οι πλάκες βρέθηκαν σκεπασμένες με αρχιτεκτονικά μέλη στο σηκό και το 1815 μεταφέρθηκαν στο Βρετανικό Μουσείο, όπου και εκτίθενται σήμερα. Γλύπτης της ζωφόρου ίσως ήταν ο Παιώνιος, που φιλοτέχνησε στην Ολυμπία το περίφημο άγαλμα της Νίκης.

Ο ναός εξακολούθησε να χρησιμοποιείται στα ελληνιστικά και ρωμαϊκά χρόνια, οπότε γίνονταν επιδιορθώσεις στην κεράμωσή του. Η πρώτη σημαντική καταστροφή του σημειώθηκε όταν έπεσε η στέγη του, λόγω της φυσικής φθοράς των ξύλινων δοκών που τη συγκρατούσαν, ενώ σοβαρές ζημιές υπέστη και από την ανθρώπινη επέμβαση, που έγινε για την απόσπαση του μετάλλου των συνδέσμων. Ο ναός ταυτίσθηκε επιτυχώς το 1765 από το Γάλλο αρχιτέκτονα J. Bocher και η πρώτη συστηματική ανασκαφή του έγινε το 1812 από ομάδα αρχαιόφιλων επιστημόνων. Ανασκαφές και αναστηλωτικές επεμβάσεις ξεκίνησαν το 1902 από την Αρχαιολογική Εταιρεία, ενώ το 1975 συστάθηκε η Επιτροπή Συντηρήσεως του Ναού του Επικουρίου Απόλλωνος, που ανέλαβε τον προγραμματισμό και τη σύνταξη των σχετικών μελετών για τα έργα συντήρησης και αναστήλωσης. Το 1982 έγινε ανασύσταση της επιτροπής και το Υπουργείο Πολιτισμού ανέλαβε συστηματικά το εξαιρετικά δύσκολο έργο αποκατάστασης του μνημείου. Από το 1987 ο ναός προστατεύεται από τις αντίξοες καιρικές συνθήκες με ειδικό στέγαστρο, που θα απομακρυνθεί μετά την ολοκλήρωση των απαραίτητων εργασιών.