Il monumento che conosciamo è il risultato di una lunga storia, i cui primi passi restano piuttosto oscuri. Secondo Cesare D'Onofrio, uno dei maggiori romanisti viventi, il Pantheon sarebbe sorto sul luogo dove, per le narrazioni delle fonti arcaiche, Romolo "ascese" in cielo durante una cerimonia in Campo Marzio, interrotta da un improvviso, violentissimo nubifragio.
Per secoli in quel luogo, nel giorno della scomparsa di Romolo, si sono svolti riti e processioni che ricordavano quell'evento sovrannaturale. Forse esisteva già un santuario, magari modesto, dedicato a quelle pratiche. E quando nell'anno 27 avanti Cristo Marco Vipsanio Agrippa eresse il Pantheon, non scelse a caso il teatro tradizionale dell'apoteosi del fondatore di Roma: Agrippa era il genero e l'architetto principe di Augusto, il quale voleva apparire come il nuovo Romolo, il nuovo fondatore della fortuna universale dell'Urbe. Il tempio fu dedicato alle sette divinità planetarie. È molto tarda, medievale, la fantasiosa leggenda dei simulacri di tutte le province dell'Impero raccolti nell'interno, che per magia segnalavano i focolai di rivolta o le minacce esterne. Parecchie, a volte contrastanti, sono le congetture sulla forma complessiva e le dimensioni dell'edificio di Agrippa; certamente era rotondo, come oggi, e poiché la memoria popolare ha radici tanto profonde quanto inestirpabili, risale probabilmente all'origine il nome, la Rotonda, col quale i romani hanno sempre indicato il monumento: ancor oggi, è questo il nome della piazza antistante. Comunque fosse, il primo Pantheon subì incendi e altre calamità. fu restaurato due volte finché Adriano, il grande imperatore-architetto, lo rifece forse per intero. Anche qui i dati sono insicuri, quasi certamente si deve a Adriano il bel pronao con sedici grandi colonne, mentre le dimensioni della vera e propria "rotonda" furono ampliate fino a sostenere la superba cupola in calcestruzzo una tecnica d'avanguardia-, probabilmente realizzata riempiendo di terra il vuoto sottostante.
Concluso il rifacimento, Adriano volle modestamente ricordare l'architetto originario, e ripristinò sul frontone l'iscrizione commemorativa di Agrippa "M. AGRIPPA L F COS TERTIUM FECIT" (Marco Agrippa, figlio di Lucio, Console per la terza volta, edificò) , in bronzo, quale oggi si vede: l'attuale è tuttavia una copia di fine Ottocento, al posto dell'antica scritta che fu depredata in una delle tante razzie. Il Pantheon di Adriano ha le mura spesse sei metri e venti centimetri, con l'interno armoniosamente scandito da nicchie alternativamente rettangolari e semicircolari; le pareti sono ancora in gran parte decorate da marmi che venivano da tutte le cave dell'Impero. Il diametro e l'altezza dell'interno sono uguali: misurano quarantatré metri e trenta centimetri, pari a cento cinquanta piedi romani: vuol dire che nell'ambiente si potrebbe inscrivere una sfera di quel diametro. Già questo calcolo consente di supporre che il tempio esprimesse un simbolismo cosmico; e l'ipotesi è rafforzata dal fatto che l'asse dell'edificio ha un leggero scarto rispetto alla direzione nord-sud, evidentemente voluto perché la differenza permette l'osservazione di un fenomeno astrologico-calendariale: alle 12 del 21 giugno, solstizio d'estate, il raggio di sole, che attraversa il grande "occhio" della cupola, cade al centro del portale d'accesso; con l'avanzare dei mesi il raggio sale, ma sempre nella stessa direzione. Insomma il Pantheon era un tempio "solare", e come tale si presentava ai visitatori, immediatamente investiti dal calore e dalla luce dell'astro. È probabile che "l' occhio" così grande, quasi nove metri di diametro, servisse anche a osservazioni astronomiche notturne.
Venne trasformato in chiesa sotto papa Bonifacio IV che, nel 609 d.C, lo dedicò alla Madonna e a tutti i Martiri. Proprio a causa di questa sua nuova utilizzazione l'imponente monumento è riuscito a conservare inalterate le sue linee essenziali e a giungere fino a noi praticamente integro.
Capolavoro di maestria e tecnica dell'architettura romana, il Pantheon possiede la cupola più grande che sia stata costruita: ha infatti un diametro di ben 43 metri. Sebbene la cupola vera e propria inizi dal secondo cornicione, a prima vista si potrebbe credere che tutta la struttura della cella sottostante sia stata creata come tamburo per la magnifica copertura. Un'antica leggenda narra che durante la sua costruzione il tamburo venne interamente ricoperto di terra, che asportata successivamente avrebbe formato la collina di Montecitorio.
Esternamente la calotta è rivestita in piombo, ma in origine era riccamente coperta con tegole di bronzo dorato; fu spogliata del prezioso materiale da Costante II nel 633, e noi possiamo ormai soltanto immaginarla bella e scintillante nella calda luce romana. Se l'esterno è decisamente sobrio, di ben altra consistenza è il suo aspetto interno. Possiamo ammirare infatti una serie di ventotto cassettoni sovrapposti in cinque ordini, che gradatamente si restringono fino a raggiungere, nella sommità, un diametro di soli 9 metri. E parallelamente diminuisce anche la consistenza dei materiali usati, che diventano progressivamente sempre più leggeri. E proprio nella parte più alta si trova l'anello aperto, il cosiddetto «occhio». Anche all'«occhio» è legata una leggenda medioevale, secondo la quale veniva considerato come antica sede della grande pigna di bronzo, che si trova attualmente nel cortile omonimo in Vaticano.

II Pantheon è il monumento romano che vanta il maggior numero di primati. Ha la cupola più grande di tutta la storia dell'architettura; è il meglio conservato fra gli antichi edifici dell'Urbe; è l'unico - tra questi - ad aver mantenuto fino a oggi, in due millenni, la stessa funzione (religiosa) per cui fu costruito; è l'opera architettonica dell'antichità più copiata e imitata, non soltanto in Italia: alle sue forme si ispirarono Andrea Palladio, gli architetti georgiani, i neoclassici e i loro molti seguaci, fino a gran parte dell'Ottocento.
Carico di tante glorie, il Pantheon troneggia serenamente davanti alla preziosa fontana con l'obelisco egizio, e dalle sue linee così armoniche si sprigiona un senso di incrollabile stabilità. Certo, l'edificio quale lo vediamo oggi, pur così bello, è come se fosse spogliato. I decori più scintillanti che lo arricchivano in origine sono infatti scomparsi: mancano fra l'altro le tegole in bronzo dorato che coprivano interamente la cupola, e il grande rilievo bronzeo che sicuramente (restano i buchi per le grappe) decorava il timpano. Immaginarlo com'era innesca un allettante gioco per la fantasia visiva; ma anche "denudato", il Pantheon perde poco della sua straordinaria imponenza. Lo scorticamento al vivo dell'opera in mattoni, all'esterno del cilindro, consente di ammirare la perizia ingegneristica dei costruttori, con quei possenti archi di scarico che sostengono il peso della mole.
Nel 1892 l'architetto francese George Chedanne scoprì ad una profondita' di circa due metri e mezzo sotto il pavimento del pronao una piattaforma costituita di spesse lastre di travertino e lastre sagomate di marmo ai lati per un totale di m 43,76 per 19,82 misure superiori a quelle dell'attuale portico che misura m 33,20 per 13,50. Sotto l'avancorpo alla stessa quota si addossava una seconda platea più stretta di m 21,26 per 10,20 e al di la' di questa, sullo stesso asse, era presente un'area circolare, limitata da una parete in reticolato e pavimentata con lastre marmoree. Infine ad una quota intermedia di m 1,85 al di sotto del pronao, venne scoperta una area pavimentata (sempre in marmo) con una leggera pendenza verso ovest. Probabilmente la grande rotonda costituiva la cella del Pantheon di Agrippa, con copertura lignea a tetto, e la platea più piccola del pronao. Il secondo pavimento marmoreo sotto il pronao fu attribuito ad un restauro intermedio da parte di Domiziano.
Per quanto riguarda la contmporaneità' delle tre strutture, rotonda avancorpo e pronao, gli scavi eseguiti da Colini e Gismondi mostrano differenze di metodo nella costruzione delle varie parti. La rotonda infatti giace su una fondazione continua ad anello di opus coementicium con scaglie di travertino larga m 7,20 l'avancorpo su una fondazione a platea simile, ma posteriore a quella circolare perchè vi si appoggia seguendo i vuoti delle nicchie e della porta. Il portico per finire non ha una fondazione omogenea in quanto presenta blocchi di travertino sui quali poggiano le colonne frontali, e muri di calcestruzzo paralleli all'asse del tempio sui quali poggiano le altre file di colonne. Questa diversità di metodi fa si che siano nate due correnti: una secondo la quale il portico risulta essere posteriore all'avancorpo' appoggiata dal Beltrame, e l'altra sostenuta da Colini e Gismondi, i quali affermano che il portico e l'avancorpo sono contmporanei e che le diversità siano state dettate esclusivamente da ragioni costruttive.