Şehrin ana kutsal alanı olan Zeus tapınağının yapılabilmesi için, Anadolu'nun erken evrelerine ait tabakaların ortadan kaldırılmış olduğu, son kazılarda ortaya çıkmıştır. Tapınak avlusunun seviyesinde, hemen altında Erken Bronz Çağı II'ye (M.Ö. 2800-2500) tarihlendirilen keramik parçaları ele geçirilmiştir. Ortadan kaldırılan tabakaların molozları tapınak alanının tekrar dolgusu sırasında kullanılmış olduğu düşünülmektedir.

Tapınağın yapımına M.S. 2. yüzyılın 2. çeyreğinde başlanmıştır. Yapımı için gereken harcamalar tahmini olarak geniş tapınak arazilerinin icara verilmesiyle sağlanmıştır. Toprağı kiralayanlar uzun yıllar para ödememekte direnmişlerdir; ancak imparator Hadrian'ın kararıyla paralar ödenince tapınağın inşaasına başlanabilmiştir. İmparator ile kent arasında bu konuyla ilgili yazışmalar Aizanoi için o kadar önemliydi ki, tapınağın ön galerisinin (pronaos) kuzey tarafında özel olarak bu yazıta hazırlanmış olan yeri bugüne kadar korunmuştur.

Aynı duvarın dış tarafında da uzun yazıtlar vardır. Burada, köprünün yazıtından bildiğimiz M. Apuleius Eurykles'ten söz edilmektedir. Yazıt, Eurykles'in erdemlerinden ve kent için yaptığı işlerden övgü ile bahsetmektedir. Tapınağın yazıtlarının ve kesme taşlarının üzerinde savaş sahnelerini, atlıları ve atları gösteren çizimler vardır. Bu çizimler, 13. yüzyılda tapınağın etrafındaki surlarda korunak arayan Çavdarlar'ın yaşamlarından sahneler göstermektedir. Peristasiste kısa yanların her birinde 8, uzun yanlarda 15'er İon sütunu yer alır. Sütunlarla iç mekanlar (pronaos, cella ve opisthodomos) arasındaki uzaklık, sütunlar arasındakinden iki defa daha geniştir; böylece burada pseudodipteros planlı bir tapınak uygulanmış olmaktadır.

53 x 35 m. ölçülerindeki podyum üzerine yapılmış olan tapınak ile tonozlarla örtülü büyük bir alt yapının birleşimi, Anadolu'daki Roma mimarlık sanatında pek alışılmamış bir durumdur ve tam bir benzerine rastlanmamıştır. Cella, opisthodomos ve pronaosu bütünüyle kaplayan alanın altındaki alt yapının daha önceki araştırmalarda Aizanoi'de Meter Steunene adıyla tapınılan Anadolu'nun Tanrıça Kybele'sinin kült yeri olduğu düşünülmektedir.

Tapınağın kuzeybatı alınlığında orta akroterde bir kadın büstünün bulunması, tapınağın yalnız tanrıların babası Zeus'a değil, aynı zamanda Tanrıça Kybele'ye de adanmış olduğunu gösterir. Son araştırmalar ise tapınağın çift tanrıya, hem Zeus hem de Kybele'ye adanmış olamayacağını ortaya koymuştur. Etki uyandıran alt yapı ise belki de kehanet yeri veya tapınağın deposu işlevini görüyordu. Kadın büstü biçimli akroter, tapınağın önünde, buluntu yerine yakın bir yere konmuştur.