雅典卫城最著名的建筑是帕特农神庙，它是古希腊建筑艺术的纪念碑，被称为“神庙中的神庙”。神庙矗立在卫城的最高点，因祭奉雅典娜女神而得名。神庙除了石灰钙岩的地基，木制的大门和天花板之外，其余部分完全是用从潘太里科山采来的大理石构造成的，包括屋顶。潘太里科大理石色白，相对帕罗斯岛上的优质大理石来说略显粗糙，所以这里的帕罗斯大理石仅供雕塑使用，光滑和无瑕的质地使它显得尤为珍贵。
神庙的主体建筑为两个大厅，东西两端各有一个带6根多立克圆柱的门廊。东部的门廊通向内殿，殿内原来供奉着巨大的雅典娜女神像，高11.89米，由总重约40—50塔伦特的金片镶着木制框架制成，其脸、手、脚部分用象牙雕制，眼睛的瞳仁由宝石镶嵌。她面目娴雅宁静，头戴金盔，身披战袍，手执长矛，以盘蛇圆盾护身，威武庄严，栩栩如生。雕塑家在作品完成之后，将之交到了当时最杰出的画家手中，因为他认为“画家的最后笔触能给神像增添宗教色彩”。
神像设计灵巧，可以搬动或转移隐蔽。但这一艺术杰作，于公元5世纪被东罗马帝国皇帝搬走后失踪，成为世界艺术史上一大憾事。这座神像是卫城建筑空间布局的核心，点明了建筑群的主题，丰富了建筑空间内容和层次。现在雅典考古学博物馆珍藏的雅典巨像只是一尊复制品，作于古罗马时代，相形之下，复制品威严不足，冷漠有余。
帕特农神庙是希腊全盛时期建筑与雕刻的主要代表，有“希腊国宝”之称，也是人类艺术宝库中一颗璀璨的明珠。5世纪中叶，神庙被改为基督教堂，雅典娜神像被移去。1458年土耳其人占领雅典后将神庙改为清真寺。1687年威尼斯人与土耳其人作战时，炮火击中了神庙内的一个火药库，炸毁了神庙的中部。1801—1803年，英国贵族埃尔金勋爵将大部分残留的雕刻运走，损失极为严重。许多原属神庙的古物，现散落在不列颠博物馆、卢浮宫、哥本哈根等地。19世纪下半叶，曾对神庙进行过部分修复，但已无法恢复原貌，现仅留有一座石柱林立的外壳。
帕特农神庙的正式启用是在公元前438年，借着盛大的帕那太耐节奉献给雅典娜。帕那太耐节是雅典人的重要节日，在节日期间，常常举行体育竞技、歌舞活动和穿过全城直至神庙的巡行。巡行活动中最有特色的是：一件由雅典城少女织成的羊毛长袍挂在一只船的主桅杆上，船被抬在牛车上，这样缓缓移向神庙，羊毛长袍最后奉献给雅典娜。接着进行的是祭祀活动，献给女神的牺牲是牛或羊。牲口的选择是极为重要的一点，它必须强壮、健康，没有伤口更没有缺陷。在出土的众多陶器上有许多祭神的场面，惟一奇怪的是宰杀牲口的场景总是被省略。牺牲品身上的骨头和肥肉被堆在祭坛上烧，重要的是从这里升起的烟必须升到神像上方，这样神才能充分享用祭品。这种祭神方式显然很特别，据传说是普罗米修斯发明的，在分割牺牲品之后，他诱使宙斯选择骨头和油肉那一部分，将精肉留给人类。