Pericles encomendó a Fidias, el escultor, la supervisión de las obras en la Acrópolis. Ictino y Calícrates fungieron como los arquitectos del Partenón, que se construyó sobre los cimientos de un antiguo templo de gran tamaño conocido como Prepartenón o Hecatompedón, que había sido destruido por los persas. El proceso de construcción se extendió durante quince años, desde el 447 hasta el 432 a.C.
El interior del Partenón se dividió en dos áreas independientes, con entradas en cada fachada opuesta del edificio. La sala oriental, la más grande, se dividía en tres naves por columnas dóricas y albergaba la escultura de Atenea creada por Fidias. La sala occidental, con cuatro columnas de estilo jónico en el centro, se utilizaba para resguardar el tesoro de la diosa y se conocía como el Partenón, es decir, la sala de las vírgenes. La fachada principal estaba orientada hacia el este, en la dirección donde sale el Sol, como era común en las construcciones religiosas de la antigüedad. Contaba con ocho columnas en sus dos fachadas principales y diecisiete en los laterales que rodeaban todo el templo, creando un pasillo o deambulatorio que permitía a la población circular alrededor del templo durante las festividades religiosas.
En el exterior, el templo tenía una superficie de 69,54 metros por 30,87 metros, con columnas que medían 10,43 metros de altura. Poseía una escalinata compuesta por tres escalones que rodeaba la base: los dos primeros escalones inferiores se llamaban estereóbatos y el escalón superior, estilóbato.
El Partenón era de estilo dórico y se diseñó con ligeras correcciones para contrarrestar los efectos ópticos de la perspectiva, utilizando líneas aparentemente rectas que en realidad eran ligeramente curvas para lograr una mayor armonía. Esta característica fue identificada por el arquitecto inglés Penrose en 1847. El edificio permaneció en gran parte intacto hasta 1687, cuando sufrió daños significativos debido a una explosión durante la guerra veneto-turca. Se cree que las esculturas de Fidias se crearon inicialmente en arcilla o yeso y luego se convirtieron en mármol por sus aprendices. El frontón de la fachada occidental representaba la lucha entre Atenea y Poseidón por el patronazgo de la ciudad, mientras que el frontón oriental según Pausanias, mostraba el nacimiento de Atenea de la cabeza de Zeus. Los frontones son conocidos a través de dibujos del siglo XVII y copias antiguas.
La característica arquitectónica innovadora del Partenón era el friso interior que recorría la pared de la nave, una característica que ningún edificio dórico previo había empleado para fines decorativos. Este friso tenía una longitud de 160 metros, una altura de 105 cm y una profundidad de 5,6 cm en sus partes más destacadas. Estaba tallado en mármol del monte Pentélico, ubicado a 19 km de la Acrópolis. El friso estaba compuesto por 378 figuras humanas y 245 figuras de animales que representaban la procesión de las fiestas de las Panateneas.
Las esculturas estaban policromadas, con las metopas y los frisos de color rojo, mientras que el frontón tenía un tono azul y se les pintaban los ojos y cabellos a las figuras. De las 92 metopas originales, solo se conservan 19, algunas en el propio templo y otras en el Museo Británico, ya que la mayoría resultaron dañadas en las múltiples ocasiones en que el edificio fue saqueado. Las metopas del lado norte representaban la toma de Troya; las del este, la lucha de los dioses contra los gigantes; las del sur, la centauromaquia; y las del oeste, una batalla entre griegos y Amazonas.