Η Ρωμαϊκή περίοδος υπήρξε καθοριστική για τη διαμόρφωση του ιερού της Ολυμπίας, με τον 2ο αιώνα μ.Χ. να αποτελεί εποχή ιδιαίτερης ακμής και έντονης οικοδομικής δραστηριότητας. Παλαιότερα μνημεία επισκευάστηκαν ή μετασκευάστηκαν, ενώ ανεγέρθηκαν πολυτελή συγκροτήματα, όπως οι Θέρμες, οι Ξενώνες, η Έπαυλη του Νέρωνα και το Νυμφαίο του Ηρώδη του Αττικού, που έλυσε το πρόβλημα ύδρευσης του ιερού. Παράλληλα, το Μητρώο μετατράπηκε σε χώρο αυτοκρατορικής λατρείας και οι Ολυμπιακοί Αγώνες απέκτησαν οικουμενικό χαρακτήρα. Η λατρεία και οι Αγώνες συνεχίστηκαν έως τα τέλη του 4ου αιώνα. Ακολούθησαν η επικράτηση του Χριστιανισμού, σεισμοί και πλημμύρες, που οδήγησαν στην οριστική εγκατάλειψη του χώρου.