Des preuves archéologiques indiquent que le Sounion était une zone sacrée dès l'âge du bronze, mais le temple visible de nos jours a été construit au milieu du Ve siècle avant notre ère (entre 444 et 440 avant notre ère). Il faisait partie de l'ambitieux projet de construction initié par Perikles, qui comprenait d'autres temples renommés comme le Parthénon et l'Héphaïstéion. Compte tenu de la similitude du temple de Poséidon avec l'Héphaïstéion et le temple de Némésis à Rhamnous, de nombreux historiens ont conclu qu'ils avaient été conçus par le même architecte. Une caractéristique particulièrement unificatrice de ces trois temples est le fait que les colonnes du porche étaient alignées avec la troisième colonne du péristyle. Une inscription confirme que le temple était dédié à Poséidon, et il a été construit sur les vestiges d'un temple poros encore plus ancien dont les fondations sont encore visibles. Ce temple archaïque a été rasé par les Perses en 490 avant J.-C. alors qu'il était encore en construction. On sait très peu de choses sur ce temple antérieur, mais il est certain qu'il était un point de repère vénéré, visible de loin lorsque les marins approchaient ou quittaient la sécurité des ports de l'Attique. Le temple le plus récent suit de près la taille et le plan du temple le plus ancien. Le temple de Poséidon était un bâtiment périptère de l'ordre dorique, fait de marbre provenant de la ville voisine d'Agrileza, avec six colonnes aux extrémités et treize sur chaque grand côté pour un total de 34 - dont treize survivent aujourd'hui.
