В древние времена стадион, стоявший на этом месте, был использован для проведения Панафинейских спортивных игр, которые устраивались в честь богини Афины. В классическое время своего существования сидения для зрителей были деревянными. В 329 году до н.э. он был перестроен в мраморе архонтом Ликургом, а в 140 г. н.э. стадион Панатинаикос расширили и отремонтировали, увеличив его вместимость до 50 000 человек.

Гораздо позже древнее строение было открыто и отремонтировано на средства, предоставленные Эвангелисом Заппасом, с целью возрождения Олимпийских игр. Заппас стал спонсором Олимпийских игр, проходивших на стадионе в 1870 и 1875 гг. В 1895 году ремонт был произведен во второй раз, для Олимпиады 1896 года. На сей раз меценатом стал Джордж Аверофф, чья мраморная статуя теперь украшает собой вход.

Поскольку стадион был построен задолго до того, как были разработаны стандарты легкой атлетики, его разметка и расположение дорожек выполнены согласно древней шпилько-образной модели. В свое время спортивное сооружение могло принять до 80 000 зрителей, расположив их на 50 рядах мраморных ступеней; в настоящий же момент его вместимость составляет 45 000 человек.

Стадион расположен в одном из центральных районов Афин – Панграти, на востоке от Национального сада и выставочного зала Заппейон, на западе от жилого района Панграти, и между двумя покрытыми соснами холмами-близнецами Ардетос и Агра. До 1950-х годов перед входом на стадион пролегала река Илиссос, однако теперь она заключена под землю, и над рекой построена улица Василеос Константиноу.

Стадион часто употребляется для чествования возвратившихся на родину греческих спортсменов, одержавших победу в международных соревнованиях; в частности, греческой сборной, после ее победы на Чемпионате Европы по футболу в 2004 году.

В 2004 году стадион Панатинаикос принимал соревнования по стрельбе из лука и заключительную часть марафона.

В редких случаях древнюю спортивную площадку используют и как место проведения избранных музыкальных представлений. Среди тех, кто удостоился чести выступать здесь, можно упомянуть Боба Дилана, Depeche Mode, Тину Тернер, Black Sabbath и Сакиса Руваса.

Музыкант Сакис Рувас вошел в историю мировой популярной музыки тем, что 1 июля 2009 года с полным аншлагом провел здесь благотворительный концерт в защиту окружающей среды. Дата концерта совпала с первым днем общественного запрета на курение в Греции. Аудитория мероприятия составила 50 000 человек, и это было самое большое количество зрителей, когда-либо привлеченное греческим артистом.

Стадион Панатинаикос несколько лет назад был выбран в качестве основного мотива для коллекционных евро; памятная греческая монета достоинством в 100 евро была отчеканена в 2003 году в честь Олимпийских игр 2004 года. Изображение стадиона расположилось на аверсе. Кроме того, оно же присутствует на лицевой стороне всех олимпийских медалей, которыми спортсмены награждались на Олимпиаде 2004 года.