Der hellenistische Großtempel hatte zwei Vorgängerbauten aus archaischer Zeit. Der eine Bau stammt aus der Zeit um 700 v. Chr., der andere aus dem 6. Jahrhundert v. Chr. Bereits damals erhielt die Anlage eine von Säulen getragene Ringhalle, die in ihrer Gestalt das hellenistische Heiligtum vorwegnahm. Da das archaische Heiligtum unter den Steinmassen des hellenistischen Tempels liegt, ist relativ wenig darüber bekannt. Im Tempelhof sind noch Reste der Vorgängerbauten zu sehen.

Mit dem Bau des hellenistischen Heiligtums wurde um 330 v. Chr. begonnen.
Es wird mit der Eroberung Milets durch Alexander den Großen 334 v. Chr. und der Eingliederung Didymas in die Polis Milet in Verbindung gebracht.
Die Ringhalle erhebt sich auf einem siebenstufigen Unterbau, dem Stereobat. Sein Eingang liegt im Osten und führt über eine Freitreppe von 14 Stufen.
Von dort gelangt man, nach dem Durchschreiten der Ringhalle, in die Vorhalle. In das Innere des Tempels führen seitlich des Portals zwei Tunnelgewölbe. Diese Tunnelgänge sind die einzigen Zugänge.

Im Inneren des Tempels liegt ein Hof in dem sich die Fundamente eines Baus mit einer Größe von 8,24 m × 14,23 m befinden. Dieses Gebäude diente zum Schutz des Kultmals, einer Süßwasserquelle.
An der Ostseite des Hofes führt zwischen den beiden erwähnten Tunnelgängen eine Freitreppe mit 24 Stufen zu einer Dreitürenwand. Diese Wand hat zwei korinthische Halbsäulen und bildet innerhalb des Hofes eine Außen- und Fassadenarchitektur.
Dahinter liegt ein Saal mit zwei gegenüberliegenden Treppenhäusern und dem so genannten Großen Portal. Die Schwellen sind mit einer Höhe von 50 Zentimetern relativ hoch und konnten nur mit Hilfsmitteln überschritten werden.
Obwohl man etwa 600 Jahre am Tempel arbeitete, wurde er nie fertiggestellt. Die letzte Glättung der Wände wurde nicht ausgeführt. So blieben dort umfangreiche antike Werkzeichnungen erhalten, die erst 1979 entdeckt wurden. Es handelt sich dabei offensichtlich um Arbeitspläne für Säulen, Gebälke und andere Details. Die Linien sind mit Metallstichel, Lineal und Zirkel in die Oberfläche der Marmorquader geritzt und bis auf wenige Millimeter genau.
Didyma gehörte zusammen mit Delphi, Dodona und Klaros zu den bedeutendsten griechischen Orakeln. Die letzte große Blütezeit des Heiligtums war im 1. und 2. Jahrhundert.

Apollon (deutsch auch Apoll) ist in der griechischen und römischen Mythologie der Gott des Lichts, der Heilung, des Frühlings, der sittlichen Reinheit und Mäßigung sowie der Weissagung und der Künste, insbesondere der Musik, der Dichtkunst und des Gesangs; außerdem war er Gott der Heilkunst und Gott der Bogenschützen. Als in Didyma gezeugter Sohn des Göttervaters Zeus und der Göttin Leto (lateinisch Latona) gehörte er wie seine erstgeborene Zwillingsschwester Artemis (lateinisch Diana) zu den Olympischen Göttern, den zwölf Hauptgöttern des griechischen Pantheons. Das Heiligtum in Delphi, die bedeutendste Orakelstätte der Antike, war ihm geweiht.

Tunnelgang in den Innenhof