雅典衛城最著名的建築是帕特農神廟，它是古希臘建築藝術的紀念碑，被稱為“神廟中的神廟”。神廟矗立在衛城的最高點，因祭奉雅典娜女神而得名。神廟除了石灰鈣岩的地基，木製的大門和天花板之外，其餘部分完全是用從潘太里科山採來的大理石構造成的，包括屋頂。潘太里科大理石色白，相對帕羅斯島上的優質大理石來說略顯粗糙，所以這裡的帕羅斯大理石僅供雕塑使用，光滑和無瑕的質地使它顯得尤為珍貴。
神廟的主體建築為兩個大廳，東西兩端各有一個帶6根多立克圓柱的門廊。東部的門廊通向內殿，殿內原來供奉著巨大的雅典娜女神像，高11.89米，由總重約40—50塔倫特的金片鑲著木製框架製成，其臉、手、腳部分用象牙雕制，眼睛的瞳仁由寶石鑲嵌。她面目嫻雅寧靜，頭戴金盔，身披戰袍，手執長矛，以盤蛇圓盾護身，威武莊嚴，栩栩如生。雕塑家在作品完成之後，將之交到了當時最傑出的畫家手中，因為他認為“畫家的最後筆觸能給神像增添宗教色彩”。
神像設計靈巧，可以搬動或轉移隱蔽。但這一藝術傑作，於公元5世紀被東羅馬帝國皇帝搬走後失踪，成為世界藝術史上一大憾事。這座神像是衛城建築空間佈局的核心，點明了建築群的主題，豐富了建築空間內容和層次。現在雅典考古學博物館珍藏的雅典巨像只是一尊複製品，作於古羅馬時代，相形之下，複製品威嚴不足，冷漠有餘。
帕特農神廟是希臘全盛時期建築與雕刻的主要代表，有“希臘國寶”之稱，也是人類藝術寶庫中一顆璀璨的明珠。 5世紀中葉，神廟被改為基督教堂，雅典娜神像被移去。 1458年土耳其人佔領雅典後將神廟改為清真寺。 1687年威尼斯人與土耳其人作戰時，炮火擊中了神廟內的一個火藥庫，炸毀了神廟的中部。 1801—1803年，英國貴族埃爾金勳爵將大部分殘留的雕刻運走，損失極為嚴重。許多原屬神廟的古物，現散落在不列顛博物館、盧浮宮、哥本哈根等地。 19世紀下半葉，曾對神廟進行過部分修復，但已無法恢復原貌，現僅留有一座石柱林立的外殼。
帕特農神廟的正式啟用是在公元前438年，藉著盛大的帕那太耐節奉獻給雅典娜。帕那太耐節是雅典人的重要節日，在節日期間，常常舉行體育競技、歌舞活動和穿過全城直至神廟的巡行。巡行活動中最有特色的是：一件由雅典城少女織成的羊毛長袍掛在一隻船的主桅杆上，船被抬在牛車上，這樣緩緩移向神廟，羊毛長袍最後奉獻給雅典娜。接著進行的是祭祀活動，獻給女神的犧牲是牛或羊。牲口的選擇是極為重要的一點，它必須強壯、健康，沒有傷口更沒有缺陷。在出土的眾多陶器上有許多祭神的場面，惟一奇怪的是宰殺牲口的場景總是被省略。犧牲品身上的骨頭和肥肉被堆在祭壇上燒，重要的是從這裡升起的煙必須升到神像上方，這樣神才能充分享用祭品。這種祭神方式顯然很特別，據傳說是普羅米修斯發明的，在分割犧牲品之後，他誘使宙斯選擇骨頭和油肉那一部分，將精肉留給人類。