En las cercanías de los Propileos se hallaba el santuario de Artemisa Brauronia, cuya construcción data del año 430 a.C. La historia detrás de este santuario se basa en una leyenda que cuenta que los habitantes de Braurón habían cazado y matado a una osa, el animal sagrado de Artemisa. En respuesta, la diosa demandó que se consagraran al culto a niñas de entre siete y once años, quienes vivirían en el santuario para servir a Artemisa y eran conocidas como "osas". El edificio tenía una disposición trapezoidal con dos alas laterales y una stoa que medía alrededor de 38 metros de longitud por 7 metros de ancho.

Pausanias describe varias estatuas que se encontraban en este santuario, entre las que destacaban una representación de Artemisa creada por Praxíteles y un caballo de bronce que simbolizaba al caballo de Troya. Este caballo de bronce mostraba a algunos de los guerreros escondidos dentro, asomando desde su interior.