Im Gegensatz zu Milet oder Priene war Didyma keine Stadt, sondern eine dem Gott Apollon geweihte Kultstätte. Der Apollontempel war als bedeutendes Orakelheiligtum in seiner Größe nur von dem Artemision in Ephesus und dem Heraion in Ionien übertroffen. Heute zählt er zu den am besten erhaltenen Großbauten des Altertums.

Mit seiner Länge von 120 m und einer ursprünglichen Höhe von 25 m war das Didymaion einer der größten Tempelbauten der Antike. Die erhaltene Ruine gibt eine eindrucksvolle Vorstellung dieser gewaltigen architektonischen Leistung. Trotz einer Jahrhunderte langen Bauzeit wurde der Tempel nie vollendet.

Von den geplanten 122 Säulen standen 72 aufrecht, jedoch nicht alle waren bereits bearbeitet. Die Frontseite war bis zum abschließenden Gebälk fertig gestellt. Die hohe Qualität des Bauschmucks lässt sich an den erhaltenen Stücken erkennen.

Die Säulen standen auf reich profilierten Basen, die in der vorderen Reihe mit Reliefs geschmückt sind. Als Bekrönung dienen ionische Volutenkapitelle. Einzigartig sind die Kapitelle der Ecksäulen. An einem sind noch Reste der Figuren von Artemis und Leto erkennbar, das andere (im archäologischen Museum in Istanbul) zeigt Zeus und Apollon, jeweils zwischen Löwengreifen und Stierköpfen.

Auf dem dreigeteilten Architrav lag ein Fries mit Medusenköpfen. Darstellungen dieses Ungeheuers wehrten nach antikem Glauben Unheil vom Tempel ab. Obenauf lag noch ein Fries aus mächtigen, quaderförmigen Zähnen mit Pflanzenornamenten auf den Stirnseiten. Kapitelle mit geflügelten Frauenfiguren, die aus einem Pflanzenornament herauswachsen zierten die oberen Enden der vorspringenden Tempelwände.

Herodot, der Vater der Geschichtsschreibung, berichtet, dass die Ionier um die Wende zum 1. Jahrtausend v.Chr. einwanderten und eine ältere Kultstätte übernahmen, an der in vor-griechischer Zeit eine weibliche Naturgottheit verehrt wurde. Dies war jedoch bisher archäologisch nicht nachweisbar.

Der Legende zur Folge gebar Leto am Ort der Orakelstätte von Zeus ihren Sohn Apollon. Die Legende berichtet weiter, Apollon sei später einem einheimischen Hirten namens Branchos erschienen und habe diesem die Sehergabe verliehen. Auf diesen Hirten führte sich das karische Priestergeschlecht der Branchiden zurück, die bis in die Zeit der Perserkriege Namensgeber und Vorsteher des Heiligtums waren. Die Priester des Heiligtums wurden später auch in Milet eingesetzt und gehörten zu angesehenen Familien der Stadt.

Das Orakel hatte wahrscheinlich schon im 7. Jahrhundert v. Chr. einen internationalen Ruf. Dies belegt zum einen Herodot, der von Weihgeschenken des ägyptischen Pharao Necho und des Lyderkönigs Kroisos berichtet, zum anderen der tatsächliche Fund zahlreicher Weihgeschenke.

Herodot berichtet, dass der Perserkönig Dareios 494 v.Chr. nach dem Fall Milets den Tempel plündern und in Flammen aufgehen ließ. Andere Quellen berichten von einer Zerstörung im Jahr 479 v.Chr. durch den Perserkönig Xerxes. Archäologisch ist eine Brandzerstörung weder für 494 noch für 479 v. Chr. nachweisbar. Tatsache ist aber wohl, dass in den nächsten 150 Jahre keine neuen Baumaßnahmen stattfanden. Im letzten Drittel des 4. Jahrhunderts v. Chr. wurde das zuvor regionale Heiligtum Bestandteil der Stadt Milet. Milet gab den Auftrag zum Neubau des Apollontempels und setzte Jahresbeamte und Opferpriester ein.

Der religiöse Betrieb des Orakels kam im Verlauf des 4. Jahrhunderts durch das Einsetzen des Christentums zum Erliegen. In der Spätantike war Didyma Bischofssitz und wurde durch Kaiser Justinian I. mit dem Titel Iustinianopolis geehrt, bevor der Ort im Frühmittelalter einen rapiden Niedergang erlebte. Vom 10. bis 12. Jahrhundert war Didyma erneut Sitz eines Bischofs. Zweimal, im 7. und im 15. Jahrhundert, zerstörten Erdbeben Didyma. Letzteres führte zur Aufgabe der Siedlung. Erst am Ende des 18. Jahrhunderts besiedelte man den Ort wieder. Der Ort wird seit dem 18. Jahrhundert erforscht. Zuerst durch englische, dann französische, schließlich durch zuletzt deutsche Archäologen. Dem zufolge finden sich Fundstücke aus Didyma im British Museum in London, im Louvre in Paris und im Pergamonmuseum in Berlin wieder.

Im Tempelinneren. Freitreppe zu einem Kultsaal, links einer der Tunnelgänge nach außen

Die heilige Straße nach Milet

Ab dem 6. Jh. v. Chr. verband eine 18 km lange "Heilige" Straße, ein Prozessionsweg, das antike Milet mit dem Tempel.