Λίγο πιο μακριά από τον Ναό του Ολυμπίου Διός βρίσκεται το Παναθηναϊκό Στάδιο, γνωστό και ως Καλλιμάρμαρο.

Το πρώτο στάδιο σε αυτή τη θέση κατασκευάστηκε περίπου το 330 π.Χ. και χρησιμοποιείται στην κορυφαία γιορτή της Αθήνας, τα Μεγάλα Παναθήναια για την τέλεση αγώνων. Το σχήμα του σταδίου είναι η χαρακτηριστική ευθεία της εποχής εκείνης, με θεατές καθισμένους στις 3 πλευρές της.

Κατά την περίοδο της αυτοκρατορίας του Αδριανού, ο Ηρώδης ο Αττικός ανακατασκευάζει το στάδιο, κάνει μαρμάρινες (αντί ξύλινες) τις εξέδρες και το μεγαλώνει έτσι ώστε να χωράει 50 χιλιάδες θεατές. Επίσης αλλάζει το σχήμα του, το οποίο είναι πεταλοειδές, όπως ακριβώς είναι και σήμερα.

Κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα το Στάδιο απογυμνώθηκε από όλα του τα μάρμαρα και εγκαταλείφθηκε. Στα τέλη του 19ου αιώνα με αφορμή την αναβίωση των Ολυμπιακών Αγώνων, το Παναθηναϊκό Στάδιο ανακατασκευάζεται πλήρως με έξοδα του εθνικού ευεργέτη Γεωργίου Αβέρωφ, άγαλμα του οποίου υπάρχει μπροστά στο Στάδιο. Το Παναθηναϊκό Στάδιο που φτιάχτηκε ολόκληρο από το περίφημο πεντελικό μάρμαρο, γι αυτό και λέγεται και «Καλλιμάρμαρο», έχει χωρητικότητα πάνω από 80 χιλιάδες θεατές . Εδώ έγιναν οι πρώτοι Ολυμπιακοί αγώνες του 1896, και ο τερματισμός του πρώτου Μαραθώνιου με νικητή τον Έλληνα Σπύρο Λούη. Από τότε το Παναθηναϊκό Στάδιο χρησιμοποιείται για πλήθος αθλητικών αλλά και πολιτιστικών εκδηλώσεων. Εδώ γίνεται κάθε χρόνο ο τερματισμός του αυθεντικού μαραθώνιου της Αθήνας, ενώ έχουν πραγματοποιήσει συναυλίες κορυφαίοι καλλιτέχνες από όλο τον κόσμο.