Αρχαιολογικά στοιχεία δείχνουν ότι το Σούνιο ήταν μια ιερή περιοχή ήδη από την εποχή του χαλκού, αλλά ο ναός ορατός στις μέρες μας χτίστηκε στα μέσα του 5ου αιώνα π.χ. (μεταξύ 444 και 440 π. χ.). Ήταν μέρος του φιλόδοξου οικοδομικού έργου που ξεκίνησε από τον Περικλή, το οποίο περιελάμβανε και άλλους φημισμένους ναούς όπως ο Παρθενώνας και το ηφαίστειο. Δεδομένης της ομοιότητας του ναού του Ποσειδώνα με το ηφαίστειο και το Ναό της Νέμεσης στη Ραμνούς, πολλοί ιστορικοί έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι σχεδιάστηκαν από τον ίδιο αρχιτέκτονα. Ένα ιδιαίτερα ενοποιητικό χαρακτηριστικό και των τριών ναών είναι το γεγονός ότι οι κίονες της βεράντας ευθυγραμμίστηκαν με την τρίτη στήλη του περιστυλίου. Μια επιγραφή επιβεβαιώνει ότι ο ναός ήταν αφιερωμένος στον Ποσειδώνα και χτίστηκε πάνω στα ερείπια ενός ακόμη παλαιότερου ναού του πόρου, τα θεμέλια του οποίου είναι ακόμα ορατά. Αυτός ο αρχαϊκός ναός καταστράφηκε από τους Πέρσες το 490 π.χ. όταν ήταν ακόμα υπό κατασκευή. Πολύ λίγα είναι γνωστά για αυτόν τον παλαιότερο ναό, αλλά είναι βέβαιο ότι ήταν ένα σεβαστό ορόσημο, ορατό από μακριά καθώς οι ναυτικοί πλησίαζαν ή άφηναν την ασφάλεια των λιμανιών της Αττικής. Ο νεότερος Ναός ακολουθεί στενά το μέγεθος και το σχέδιο του αρχαιότερου. Ο ναός του Ποσειδώνα ήταν ένα περιμετρικό κτίριο δωρικού ρυθμού, κατασκευασμένο από μάρμαρο της γειτονικής Αγριλέζας, με έξι κίονες στα άκρα του και δεκατρείς σε κάθε μεγάλη πλευρά για συνολικά 34--εκ των οποίων δεκατρείς σώζονται σήμερα.
