Парфенон представляет собой дорический периптер с элементами ионического ордера. Он стоит на трёх мраморных ступенях, общая высота которых составляет около 1,5 м. Со стороны главного (западного) фасада прорублены более частые ступени, предназначенные для людей. Верхняя площадка ступеней, так называемый стилобат, имеет 69,5 м в длину и 30,9 м в ширину. Храм со всех сторон окружён перистилем – колоннадой, имеющей по 8 колонн на фасадах и по 17 по бокам, учитывая угловые. Высота колонн равна 10,4 м, они составлены из 10–12 барабанов. Диаметр их основания – 1,9 м, у угловых колонн – 1,95 м. Кверху диаметр колонны сужается. На каждой колонне выточено по двадцать каннелюр. Сверху храм был покрыт черепичной кровлей.
Находящееся за внешней колоннадой помещение храма имеет 59 м в длину и 21,7 м в ширину. Оно установлено на двух дополнительных ступенях общей высотой 0,7 м и является амфипростилем. На его фасадах имеются портики с колоннами, которые чуть ниже колонн перистиля. Восточный портик был пронаосом, ведущим в целлу, западный – постикумом, ведущим в опистодом.
Целла, располагавшаяся с востока, имела длину 29,9 м и ширину 19,2 м. Два ряда из 9 дорических колонн заканчивались у стены поперечным рядом с ещё тремя колоннами и образовывали три нефа, средний из которых был значительно шире двух других. Считается, что на архитраве первого яруса колонн стоял второй, поддерживавший перекрытия. В центральном нефе стояла статуя Афины Парфенос работы Фидия. Над статуей был устроен гипефр.
Опистодом имел 13,9 м в длину и 19,2 м в ширину. В нём стояли четыре высокие колонны, скорее всего, ионические. Две небольшие двери вели отсюда в боковые нефы целлы. Опистодом назывался Парфеноном, поскольку изначально здесь хранились дары богине; затем это название распространилось на весь храм. В 464 году до н. э. сюда была перевезена казна Делосского союза. Долгое время в опистодоме располагался также государственный архив.
Парфенон был продуман в мельчайших деталях, совершенно незаметных постороннему наблюдателю и имеющих целью зрительно облегчить нагрузку на несущие элементы, а также исправить некоторые погрешности человеческого зрения. Историками архитектуры отдельно выделяется понятие «курватура Парфенона» – специальная кривизна, вносившая оптические коррективы. Хотя храм кажется идеально прямолинейным, на самом же деле в его контурах нет почти ни одной строго прямой линии: