Η ανασκαφική έρευνα στην Ολυμπία (Ηλεία) είχε ως αποτέλεσμα την αποκάλυψη του ιερού του Διός και την ανάδειξή του σε έναν από τους σημαντικότερους αρχαιολογικούς χώρους παγκοσμίως. Η ρωμαϊκή φάση του ιερού του Ολυμπίου Διός υπήρξε καθοριστική για την τελική διαμόρφωση της αρχιτεκτονικής μορφής του, καθώς την εποχή αυτή πραγματοποιήθηκε μια σειρά από παρεμβάσεις και επισκευές σε πολλά μνημεία, αλλά και η ανέγερση νέων. Ιδιαίτερα ο 2ος αιώνας μ.Χ. υπήρξε για την Ολυμπία περίοδος ακμής χάρη στον θαυμασμό για την ελληνική αρχαιότητα φιλελλήνων αυτοκρατόρων, όπως ο Αδριανός.
H ήττα των Ελλήνων στον Ισθμό της Κορίνθου από τους Ρωμαίους το 146 π.X. σηματοδότησε την εγκαθίδρυση της ρωμαϊκής κυριαρχίας στην Ελλάδα. Η φιλορωμαϊκή πολιτική των Ηλείων κατά τη διάρκεια της ρωμαϊκής κατάκτησης υπήρξε ο κύριος λόγος για τον οποίο, μετά την οριστική επικράτηση των Ρωμαίων στην Ελλάδα, η Ηλεία δεν υπέστη τις συνέπειες της νίκης τους. Σοβαρές επιπτώσεις στο ιερό επέφερε η λεηλασία του από τον Σύλλα το 87 π.Χ. Γενικότερα, πάντως, οι Ρωμαίοι αντιμετώπισαν την Ολυμπία με σεβασμό, ενώ το ελληνικό αθλητικό ιδεώδες είχε μεγάλη απήχηση. Στα μέσα του 2ου αιώνα μ.Χ. κτίστηκε το Νυμφαίο ανατολικά του ναού της Ήρας, σημαντικό τεχνικό έργο που έλυσε οριστικά το πρόβλημα της ύδρευσης του ιερού. Η ανέγερσή του οφείλεται σε δωρεά του Ηρώδη του Αττικού. Η πολιτική της Ρωμαϊκής Αυτοκρατορίας να αναγνωρίζει το δικαίωμα του Ρωμαίου πολίτη σε όλους τους υπηκόους της, η οποία εγκαινιάστηκε το 212 μ.Χ., είχε ως αποτέλεσμα οι Ολυμπιακοί Αγώνες να αποκτήσουν οικουμενικό χαρακτήρα, καθώς μπορούσαν πλέον να πάρουν μέρος σε αυτούς αθλητές από κάθε γωνιά της αυτοκρατορίας.
Από τα τέλη του 3ου αιώνα μ.Χ. και εξής δεν σημειώνεται πλέον οικοδομική δραστηριότητα στο ιερό. Ωστόσο τα μνημεία, παρά τις ζημιές που είχαν υποστεί, κυρίως από σεισμούς, παρέμειναν λειτουργικά. Η λατρευτική χρήση τους, αλλά και η τέλεση των Αγώνων συνεχίστηκαν κανονικά, όπως μαρτυρεί και η σημαντική χάλκινη επιγραφή με κατάλογο αθλητών από τον 1ο αιώνα π.Χ. έως τον 4ο αιώνα μ.Χ., που βρέθηκε στη λεγόμενη Λέσχη των Αθλητών στο νοτιοδυτικό τμήμα του αρχαιολογικού χώρου. Στην επιγραφή περιλαμβάνεται το όνομα του Αθηναίου Ζωπύρου που νίκησε στο παγκράτιο των νέων το 385 μ.Χ. Πρόκειται για τον τελευταίο γνωστό μέχρι σήμερα Ολυμπιονίκη. Το 393 μ.Χ. ο αυτοκράτορας Θεοδόσιος Α΄ απαγόρευσε τη δημόσια τέλεση παγανιστικών λατρειών, ενώ το 426 μ.Χ. ακολούθησε η εντολή του Θεοδόσιου Β΄ για το κλείσιμο όλων των ειδωλολατρικών ναών και ιερών. Επομένως, στη μετάβαση από το α΄ στο β΄ τέταρτο του 5ου αιώνα μ.Χ. έπαψε η λατρεία στον χώρο του ιερού της Ολυμπίας έπειτα από περίπου 1.400 χρόνια.
Κατά τον 5ο αιώνα μ.Χ. μια μικρή χριστιανική κοινότητα εγκαταστάθηκε στην Ολυμπία. Αρχιτεκτονικά μέλη σημαντικών μνημείων του ιερού επαναχρησιμοποιήθηκαν για την ανέγερση τείχους —του λεγόμενου «υστερορωμαϊκού» τείχους— που περιέκλειε τον ναό του Διός, το Βουλευτήριο και τη Νότια Στοά. Η παλαιότερη έρευνα είχε συνδέσει την κατασκευή του τείχους αυτού με την προσπάθεια να προστατευθούν τα κύρια μνημεία της Άλτεως από την επιδρομή του βαρβαρικού φύλου των Ερούλων το 267 μ.Χ., αλλά τα νεότερα επιστημονικά δεδομένα οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι ανεγέρθηκε κατά τον 5ο αιώνα μ.Χ.
Δύο σεισμοί, το 522 και το 551 μ.Χ., προξένησαν την καταστροφή των μνημείων του ιερού, ενώ στη διάρκεια των αιώνων που ακολούθησαν, η εγκατάλειψη του χώρου ολοκληρώθηκε με τις πλημμύρες των ποταμών, του Κλαδέου και του Αλφειού, που κάλυψαν την περιοχή με επίχωση πάχους 4–5 μ.
Το ιερό της Ολυμπίας κατά τη Ρωμαϊκή εποχή
Η είσοδος στον αρχαιολογικό χώρο γίνεται σήμερα από τη βόρεια πλευρά του και οι επισκέπτες ακολουθούν την πορεία της Πομπικής Οδού με κατεύθυνση Β–Ν, παράλληλα με τον περίβολο της Ιεράς Άλτεως.
Το ιερό αποτελείται από την Άλτι, το ιερό άλσος της Ολυμπίας, όπου βρίσκονταν οι χώροι λατρείας και οι ναοί, και τον χώρο που εκτείνεται δυτικά της Άλτεως, όπου είχαν ανεγερθεί τα κοσμικά οικοδομήματα για την εξυπηρέτηση των αθλητών και των επισκεπτών (εγκαταστάσεις για την προετοιμασία των αθλητών, λουτρά και ξενώνες).
Ο περίβολος που κτίστηκε τον 4ο αιώνα π.Χ. στη νότια και δυτική πλευρά της Άλτεως τη διαχώρισε από τον χώρο των κοσμικών κτηρίων. Δυτικά του περιβόλου διερχόταν η Πομπική Οδός. Στα μέσα του 2ου αιώνα μ.Χ. ο περίβολος αυτός μετατοπίστηκε κατά λίγα μέτρα προς τα δυτικά και προς τα νότια. Η είσοδος στην Άλτι γινόταν μέσω δύο πυλών στη δυτική και μίας πύλης στη νότια πλευρά του περιβόλου.
Ο Παυσανίας αναφέρει ως Πομπική Είσοδο την πύλη στη νοτιοδυτική γωνία του περιβόλου της Άλτεως, απ’ όπου εισερχόταν στο ιερό άλσος η πομπή των αθλητών και των κριτών από την Ήλιδα για την έναρξη των Ολυμπιακών Αγώνων.
Τα κύρια μνημεία του ιερού που είτε ανεγέρθηκαν στα ρωμαϊκά χρόνια είτε υπέστησαν μεγάλες μετασκευές είναι τα ακόλουθα, ξεκινώντας από την είσοδο του αρχαιολογικού χώρου.