Предположительно, главным архитектором был Аполлодор Дамасский, известный своими многочисленными творениями, в том числе термами и аркой Траяна.
Храм представляет собой ротонду, его огромный купол в диаметре равен 43 метрам. Внутри Пантеона может поместиться громадная полная сфера. Потолок кессонный, в нем предусмотрено одно отверстие. В помещениях имеется особая сложная система подземных стоков.
Конструкция храма продумана до мельчайших деталей. В качестве материала использовался особый бетон, при этом состав смеси изменяется в зависимости от высоты. Портик с фронтоном – это фасад Пантеона. В основе – 16 коринфских колонн из гранита, на фронтоне имеется надпись, перенесенная сюда со старого храма Агриппы, что в переводе с латинского гласит: "Марк Агриппа, сын Луция, избранный консулом в третий раз, воздвиг это".