Inizialmente il culto doveva svolgersi all'aperto, nel "bosco sacro" (il nemus che ha dato il nome all'odierno paese di Nemi) e riferirsi a una divinità silvestre. In età arcaica (fine del VI sec. a.C.) una radura nel bosco venne dedicata a Diana, che venne adorata, probabilmente ancora in uno spiazzo aperto e non ancora in un vero e proprio tempio, nel suo triplice aspetto di dea della caccia, della luce notturna e delle nascite.
Dopo la realizzazione dell'Emissario, che risale al V sec. a.C.. il luogo di culto fu spostato più a valle, verso la riva settentrionale del lago; nel IV sec. a.C. sappiamo che il tempio era di tipo etrusco-italico, con struttura lignea e rivestimento in terracotta. frontone aperto, quattro colonne sulla fronte, ampia cella con ali laterali: così perlomeno viene rappresentato in alcuni modellini fittili rinvenuti nel secolo scorso nell'area sacra.
Tra la fine del II e l'inizio del I sec. a.C. il Santuario subì una completa trasformazione e, come avvenne per i coevi Santuari di Gabii, Palestrina, Tivoli, Terracina, fu ricostruito con un aspetto monumentale. Il nuovo complesso consisteva in una piattaforma di m. 200 x 175, sostenuta verso il lago da costruzioni triangolari (A), verso il monte da nicchioni semicircolari (B); interno a questi vi era un portico dorico con colonne intonacate in rosso e trabeazione in peperino (R); la tecnica impiegata era il conglomerato cementizio rivestito in opera incerta di peperino e basalto, materiali diffusi nella zona, essendo di origine vulcanica.
Sulla terrazza si trovavano sacelli per divinità, adorate nel Santuario insieme a Diana, ambienti per i sacerdoti e forse per i fedeli (F), bagni idroterapici (i numerosi ex-voto rinvenuti testimoniano che la dea aveva anche qualità salutari, probabilmente per la presenza nelle immediate vicinanze della fonte della ninfa Egeria), e il Tempio di Diana, identificato con una struttura in opera reticolata inglobata in un casale moderno (K).
Alcuni studiosi ritengono tuttavia che il tempio della divinità si trovasse su una terrazza superiore.
Nel corso del I sec. a.C. una parte del colonnato venne chiusa, realizzando alcune celle (M) che; per la gran quantità di stele e statue che vi si rinvennero nel secolo scorso, vennero chiamate "donarie"; contemporaneamente vennero realizzati, esternamente al Santuario e con un orientamento leggermente diverso, un piccolo teatro (S) e alcune vasche per bagni (T). Restauri e abbellimenti al complesso vennero apportati dagli imperatori giulio-claudi e, in maniera piuttosto consistente, da Adriano.
Il Santuario fu frequentato probabilmente fino al IV sec. d.C., poi, con l'avvento del Cristianesimo, venne abbandonato, spogliato di marmi e decorazioni, lasciato all'incuria degli uomini e alle devastazioni della natura.
L'area fu scavata a partire dal XVII secolo e gran parte dei ritrovamenti finirono in musei stranieri (Copenhagen, Nottingham, Palma de Mallorca, Boston, Londra); solo alcuni reperti rimasero in Italia (Roma, Museo di Villa Giulia e Museo Nazionale Romano; Nemi, Palazzo Ruspoli e Museo delle Navi Romane). Gli scavi più importanti e significativi furono quelli condotti da Lord Savile Lumley, ambasciatore inglese a Roma, nel 1885 e quelli eseguiti da G. Gatti e L. Morpurgo al teatro nel 1924.
Le strutture rinvenute in queste occasioni sono attualmente interrate.
Di recente la Soprintendenza Archeologica per il Lazio ha ripreso le indagini di scavo, riportando alla luce i resti di un portico monumentale con colonne in opera incerta e mista (reticolato e laterizi), rivestite con intonaco rosso scanalato, conservate per un'altezza di oltre due metri, con trabeazione dorica di peperino, costituita da capitelli con echino schiacciato e architrave a metope e triglifi (R).
Tra il colonnato R ed il recinto esterno del Santuario a nicchioni in opera incerta (B) si è rinvenuto un muro intermedio realizzato nella stessa tecnica edilizia (Q), in cui si aprivano passaggi regolari, collegato al portico antistante da un tetto di tegole, di cui si è rinvenuto il crollo, e separato dal muro B da un colonnato in peperino di minori dimensioni (Z).
Questi resti sono databili alla fase tardo-repubblicana del complesso ed al restauro adrianeo, peraltro attestato da iscrizioni dedicatorie rinvenute in passato.
Il Santuario di Diana costituisce, insieme ai complessi religiosi laziali sopracitati, un esempio di architettura scenografica, ispirata ai santuari ellenistici della Grecia insulare: quello di Asclepio a Cos e quello di Atena Lindia a Rodi.
Caratteristica di questi santuari monumentali è la presenza di ampi spazi aperti, di colonnati, di piccoli edifici di culto sparsi e di un teatro, dove si svolgevano rappresentazioni rituali legate al culto.
Comune anche agli altri santuari è la presenza di un bosco sacro, di una sorgente di acqua e, forse, di un oracolo che dava responsi.
