Λίγοι τόποι θα ήταν εξίσου ταιριαστοί για την ίδρυση ενός ιερού στην Άρτεμη. Στην αρχαιότητα, πλάι στο ιερό έρρεε ο ποταμός Ερασίνος που, εκβάλλοντας στη γειτονική θάλασσα, σχημάτιζε πλατιά αμμουδερή γη, το έλος. Με τον ποταμό ενώνονται άφθονα υπόγεια νερά. Το φυσικό τοπίο, πράο αλλά ανήμερο, για ζώα και φυτά ελεύθερα και ανέγγιχτα από χέρι ανθρώπου, είναι αναπόσπαστο μέρος της ιερότητας του χώρου. Η παρέμβαση του ανθρώπου, ειδικά του σημερινού, παραμένει ανεπιθύμητη.
Οι παλαιότεροι κάτοικοι της Βραυρώνας, γύρω στο 3500 π.Χ., ιδρύουν την προϊστορική τους ακρόπολη στον πτυχωτό λόφο με το σχήμα φεγγαριού. Στην ύστερη πρωτοελλαδική και μεσοελλαδική περίοδο η περιοχή ακμάζει. Ο πληθυσμός μεγαλώνει στα μυκηναϊκά χρόνια, στα υπομηκηναϊκά χρόνια όμως η περιοχή εγκαταλείπεται.
Ο Θουκυδίδης μάς πληροφορεί ότι η Βραυρώνα είναι μία από τις δώδεκα προϊστορικές πόλεις που ο Θησέας οδήγησε στο «συνοικισμό». Ο Ηρόδοτος διηγείται το περιστατικό της απαγωγής των αθηναίων γυναικών, που βρίσκονταν στο ιερό της Βραυρώνας, από τους Πελασγούς της Λήμνου. Και ο Ευριπίδης, στην Ιφιγένεια εν Ταύροις, εμφανίζει την Αθηνά να προλέγει στην κόρη του Αγαμέμνονα πως της Άρτεμης ιέρεια θα γίνει στη Βραυρώνα, όπου και θα ταφεί σαν έρθει η ώρα, κι αφιερώματα θα παίρνει τα ωραιότερα ρούχα γυναικών που πέθαναν στη γέννα. Πράγματι, κοντά στο βωμό του ιερού εντοπίστηκε το «κενήριον», ο τάφος της Ιφιγένειας, και μικρός ναός, το ηρώον της.
Η Βραυρωνία Άρτεμις, θεότητα παλαιά, είναι ευπρόσδεκτη στην Ακρόπολη των Αθηνών τον 6ο αιώνα π.Χ. , όταν ο Πεισίστρατος τής κτίζει το Βραυρώνιο. Από το Βραυρώνιο ξεκινούσε η πομπή της μεγάλης γιορτής των Βραυρωνίων που γινόταν κάθε πέντε χρόνια.
Τα παλαιότερα ευρήματα που σχετίζονται με τη λειτουργία του ιερού στη Βραυρώνα ανάγονται στον 9ο αιώνα π.Χ. Στις αρχές του 5ου αιώνα π.Χ. κτίζεται ο μεγάλος πώρινος δωρικός ναός της Άρτεμης πάνω από το μέρος όπου υπόγεια φλέβα του Ερασίνου αναβλύζει νερό. Από το ναό σώζονται μόνο τα θεμέλια. Το λατρευτικό άγαλμα της θεάς, που θεωρείται έργο του Πραξιτέλη, δεν σώθηκε. Προς το τέλος του ίδιου αιώνα κτίζεται σε σχήμα Π η «στοά των άρκτων», που πλαισιώνει προς Β τον υπαίθριο χώρο του ναού σχηματίζοντας ορθογώνια αυλή. Στα δωμάτια της στοάς έμεναν τα παιδιά στη διάρκεια της θητείας τους. Μπροστά από το ναό υπήρχε ο βωμός, τόπος θυσίας αλλά και λατρευτικών τελετών που απεικονίζονται στους πήλινους κρατηρίσκους με διπλές λαβές, χαρακτηριστικούς της λατρείας της Άρτεμης και ως Ταυροπόλου και ως Μουνιχίας. Κοριτσάκια γυμνά ή με κοντούς, κροκωτούς χιτώνες, κάποια με μηνοειδές στεφάνι στα μαλλιά, τρέχουν και χορεύουν γύρω από το βωμό στη διάρκεια της «αρκτείας» τους, διαβατήριου έθιμου προς την ενηλικίωση.
Σε ένα από τα μεγαλύτερα ιερά της αρχαιότητας αναδεικνύουν το ιερό της Βραυρωνίας Αρτέμιδος το πλήθος και η ποιότητα των ευρημάτων. Αγάλματα παιδιών, ανάγλυφα με σκηνές λατρείας, κοσμήματα, παραστάσεις στα αγγεία, τα χρυσοϋφασμένα ρούχα των γυναικών, κι ας μη σώθηκαν, δείχνουν ξεκάθαρα τη θέση της θεάς στον πλουμιστό κόσμο των γυναικών.