Раскопки Теменоса были начаты 1951 году. В 1955 году была открыта восточная ограда и вход со стороны «восточной» улицы Агора. Строительные остатки Теменоса VI века до н. э. дошли до нас очень фрагментарно.
Это каменная дорожка, сохранившаяся на протяжении 20 метров, которая вела от Агоры к священной роще. Небольшая роща из посаженных деревьев занимала северную половину раскрытой в настоящее время территории Теменоса. К востоку от «священной» дорожки стоял самый ранний алтарь Теменоса, от которого до нас дошёл только цоколь. К югу от алтаря находилось квадратное в плане здание, размером 4,80х4,80 метров. Сохранился лишь нижний ряд поленной кладки. Трудно сказать, был ли это храм. Вход в здание был с запада. В V веке до н. э. здание перестраивается. В самой роще вероятно стояли небольшие культовые сооружения, к которым относится и овальное углубление, заполненное впоследствии очень плотной трамбовкой. Пока можно лишь говорить, что уже в последнюю четверть VI века до н. э. здесь совершались священослужения, связанные с культом Зевса, Афины, Аполлона Дельфиния. Большое количество материалов этого времени свидетельствуют, что уже тогда культовый участок являлся центром духовной жизни ольвиополитов. Примерная граница святилища определяется на юге ранними углублениями в материке, на севере и западе она, по-видимому, совпадала с более поздней границей.
В V веке до н. э. идёт интенсивная застройка Теменоса, которая придала ему совершенно другой облик. Вместо разбросанного и неоформленного святилища, где значительное место было отведено «священным» деревья и другим предметам, характерным для ранней греческой религии, появляется чётко ограниченный постройками комплекс. К V веку до н. э. относится сооружение главного алтаря из известняка рядом с ранее существовавшим алтарём, храм Аполлона Дельфиния и алтарь для сожжения жертвоприношений расположенный среди ещё сохранившейся рощи. К северу от алтаря для сжигания обнаружили остатки ещё одного алтаря, от которого сохранилось лишь основание. Роща в V веке до н. э. была сокращена за счёт храма.
Нет сомнения, что на месте храма Зевса в северо-западной части Теменоса, стоял более ранний храм. Там же в западной части находился большой каменный водоём для сбора дождевой воды.
В последней четверти IV века до н. э. Теменос снова перестраивается. Основной причиной было низкое положение по сравнению с городом культовых сооружений. Весь уровень Теменоса был поднят, после чего началось новое строительство. Первым стал возводиться храм Аполлона Дельфиния. Новый храм был много больше и занимал не только площадь старого, но и часть прилежащих к нему сооружений. До нас от этого храма дошли только остатки слоевого фундамента, ширина которого была 16 метров, а длина не менее 30-35 метров.
В III веке до н. э. был построен новый храм в северо-западной части святилища, ориентированный на юго-восток. Этот храм был посвящён Зевсу.
В период эллинизма очевидно было построено ещё одно квадратное в плане здание. Для снабжения Теменоса водой к северу от выхода была сооружена огромная цистерна глубиной около 9 метров, сильно расширявшаяся к низу. Цистерна наполнялась дождевой водой, собиравшейся вероятно с крыши нового храма Аполлона Дельфиния. Даже к северу на месте существовавшей ранее мастерской по изготовлению металлических изделий строилась более крупная мастерская по изготовлению терракотовых статуэток.
Перед входом в Теменос эллинистического периода устраивалась небольшая площадь 20х20 метров, в середине которой был водоём.
Теменос начал разрушаться ещё за долго до разгрома Ольвии гетами в середине I века до н. э. Главный алтарь святилища был полностью разрушен.
У нас нет прямых данных, которые могли бы указать, с какими событиями в истории древней Ольвии могло быть связанно разрушение фундаментальных сооружений Теменоса. Вероятнее всего разбор храмов произошёл во время подчинения Ольвии государству поздних скифов во второй половине II века до н. э