In der Nähe der Propyläen befand sich das Heiligtum der Artemis Brauronia, das 430 v. Chr. errichtet wurde. Die Geschichte hinter diesem Heiligtum beruht auf einer Legende, der zufolge die Einwohner von Brauronia einen Bären, das heilige Tier der Artemis, erlegt hatten. Daraufhin verlangte die Göttin, dass Mädchen im Alter zwischen sieben und elf Jahren, die im Heiligtum leben und Artemis dienen sollten und als "Bären" bekannt waren, dem Kult geweiht werden sollten. Das Gebäude hatte einen trapezförmigen Grundriss mit zwei Seitenflügeln und einer Stoa von etwa 38 m Länge und 7 m Breite.

Pausanias beschreibt mehrere Statuen, die in diesem Heiligtum gefunden wurden, darunter eine von Praxiteles geschaffene Darstellung der Artemis und ein Bronzepferd, das das Trojanische Pferd symbolisiert. Dieses Bronzepferd zeigte einige der im Inneren versteckten Krieger, die aus dem Inneren herausschauten.