Αναμφισβήτητα ένα από σημαντικότερα οικοδομήματα της αρχαίας Ολυμπίας ήταν ο ναός του Δία. Μέσω μίας αναθηματικής επιγραφής των Λακεδαιμονίων οι ιστορικοί διαπιστώνουν ότι η εργασίες ανέγερσης του ναού ξεκίνησαν το 470 π.Χ και ολοκληρώθηκαν το 456 π.Χ.. Ο Ναός οικοδομήθηκε από τους Ηλείους ώστε να τιμήσουν το Δία για τους νικηφόρους αγώνες που διεξήγαγαν κατά τη διάρκεια των τριφυλιακών πολέμων. Αρχιτέκτονας ήταν ο Λίβωνας ο Ήλειος και αντικειμενικά επρόκειτο για ένα μεγαλοπρεπέστατο ναό που δέσποζε σε κεντρικότατο σημείο της ιερής πόλης.
Διέθετε δεκατρείς κίονες στο πλάτος του και δεκατρείς στις μακρές πλευρές του. Το ύψος των κιόνων έφτανε τα 10,43 μέτρα ενώ η διάμετρός του κάθε κίονα ήταν 2,25 μέτρα. Ο ναός διέθετε πρόναο, σηκό και οπισθόδομο. Στην είσοδο του πρόναου γινόταν η στέψη των ολυμπιονικών ενώ το μεγαλύτερο μέρος του δαπέδου καλύπτονταν από εξαιρετικής ποιότητας ψηφιδωτό που κάποια μέρη του σώζονται μέχρι σήμερα. Ο ναός διέθετε πλούσιο διάκοσμο αυστηρού ρυθμού αλλά δυστυχώς δεν είναι γνωστός ο καλλιτέχνης δημιουργός τους. Στα αετώματα του ναού απεικονίζονται σκηνές από την αρματοδρομία μεταξύ Πέλοπα και Οινόμαου, την Κενταυρομαχία και τους άθλους του Ηρακλή.
Στο βάθος του σηκού βρισκόταν το διάσημο χρυσελεφάντινο άγαλμα του Δία που ήταν ένα από 7 θαύματα της αρχαιότητας. Το άγαλμα φιλοτεχνήθηκε γύρω στα 430 π.Χ. από τον Φειδία, είχε ύψος 12 μέτρα και παρίστανε τον θεό Δία να κάθετε στο θρόνο του και να κρατά ένα σκήπτρο και μια φτερωτή Νίκη. Τα γυμνά μέρη του σώματος ήταν φτιαγμένα από ελεφαντόδοντο ενώ το ιμάτιο και ο θρόνος ήταν χρυσά και έφεραν μυθολογικές παραστάσεις.
Ο ναός υπέστει σοβαρές καταστροφές όταν πυρπολήθηκε το 426 μ.Χ. μετά από διαταγή του Βυζαντινού αυτοκράτορα Θεοδοσίου Β' ενώ γκρεμίστηκε κατά μεγάλο βαθμό το 522 και 551 μ.Χ. ύστερα από 2 μεγάλους σεισμούς. Οι πρώτες ανασκαφές στο μνημείο ξεκίνησαν το 1829 από γαλλική αρχαιολογική αποστολή και ολοκληρώθηκαν αρκετά χρόνια αργότερα από Γερμανούς αρχαιολόγους. Σήμερα ορισμένα ανάγλυφα τμήματα από τις μετόπες του ναού, φιλοξενούνται στο μουσείο του Λούβρου ενώ τα περισσότερα τμήματα οι επισκέπτες μπορούν να τα θαυμάσουν εντός του αρχαιολογικού μουσείου της Ολυμπίας.
