Η Βραυρώνα ήταν μια από τις δώδεκα προϊστορικές πόλεις τις Αττικής πριν από το συνοικισμό τους. Στην ακρόπολή της έχουν βρεθεί ίχνη εγκατάστασης από όλες τις φάσεις της Εποχής του Χαλκού, ενώ στις ανατολικές πλαγιές του λόφου έχουν ανασκαφεί μυκηναϊκοί θαλαμωτοί τάφοι. Το ιερό της 'Αρτεμης φαίνεται ότι ιδρύθηκε στη Γεωμετρική περίοδο (9ος ή 8ος αι. π.Χ.). Έπαιζε σημαντικότατο ρόλο στη ζωή των γυναικών, καθώς, για την αίσια έκβαση του τοκετού, ο εξευμενισμός της παρθένου ’ρτεμης θεωρείτο απαραίτητος. Η λατρεία ήταν παλιά με πολλά πρωτόγονα στοιχεία. Η Ιφιγένεια, σύμφωνα με μια εκδοχή στο έργο του Ευριπίδη, ήταν η πρώτη ιέρεια της θεάς και μάλιστα τάφηκε στο ιερό.

Οι γυναίκες που είχαν καλή γέννα προσέφεραν τα ενδύματά τους στη θεά, ενώ τα ενδύματα εκείνων που πέθαιναν στον τοκετό αφιερώνονταν στην Ιφιγένεια. Στο ιερό βρέθηκαν πολλοί κατάλογοι αυτών των αναθημάτων, όπως επίσης και πολλά αγαλματίδια μικρών αγοριών και κοριτσιών. Στο ιερό επίσης υπηρετούσαν για ένα χρόνο κορίτσια 7-10 ετών από την Αθήνα, τα οποία στο διάστημα της θητείας τους ονομάζονταν «άρκτοι». Σύμφωνα με μια διάφορες μεταγενέστερες παραδόσεις, η πρακτική αυτή ξεκίνησε σαν μια προσπάθεια κατευνασμού της 'Αρτεμης, όταν εκείνη έστειλε λοιμό στην Αθήνα για να τιμωρήσει τους Αθηναίους, που είχαν σκοτώσει την αγαπημένη της αρκούδα κοντά στο ναό. Χαρακτηριστικά τελετουργικά αγγεία που βρέθηκαν στην περιοχή αναπαριστούν μικρά κορίτσια που τρέχουν ή χορεύουν γύρω από το βωμό. Στη Βραυρώνα τελούνταν κάθε πέντε χρόνια γυναικεία γιορτή, κατά την οποία γίνονταν και ραψωδικοί αγώνες. Η πομπή ξεκινούσε από το Βραυρώνιον, το θυγατρικό ιερό της Βραυρωνίας Αρτέμης, που βρισκόταν στην Ακρόπολη των Αθηνών, νοτιοανατολικά των Προπυλαίων.

Τα πρωιμότερα αρχιτεκτονικά λείψανα στο χώρο ανήκουν σε ένα ναό, που οικοδομήθηκε στα τέλη του 6ου αι. π.Χ. Από το ναό σώζεται μέρος της θεμελίωσης και ορισμένα αρχιτεκτονικά μέλη δωρικού ρυθμού από ασβεστόλιθο: σπόνδυλοι κιόνων, κομμάτια από τη ζωφόρο και ένα επίκρανο παραστάδας. Κατά τη διάρκεια του Πελοποννησιακού Πολέμου και ενώ η οικοδομική δραστηριότητα στην Αττική είναι ελάχιστη, λόγω των εισβολών των Λακεδαιμονίων, η περίπτωση του ιερού της 'Αρτεμης στη Βραυρώνα ξεχωρίζει. Κτίσθηκε μια δωρική στοά (περ. 425 π.Χ.) από ασβεστόλιθο με μαρμάρινα διακοσμητικά στοιχεία, σχήματος Π. Το αρχικό σχέδιο προέβλεπε εκτός από την κεντρική και δύο ακόμα κιονοστοιχίες, οι οποίες όμως δεν ολοκληρώθηκαν ποτέ.

Πίσω από την κιονοστοιχία της πρόσοψης υπάρχουν μεγάλες αίθουσες εστίασης, όπου καταναλωνόταν η ποσότητα των θυσιασμένων ζώων. Το σχέδιο της στοάς με δύο προεξέχουσες πτέρυγες εκατέρωθεν του κεντρικού τμήματος θεωρείται πρωτοποριακό για την εποχή του. Έχει, επίσης, αυξηθεί η απόσταση ανάμεσα στους κίονες (κάθε κίονας βρισκόταν κάτω από κάθε τρίτο τρίγλυφο αντί για κάθε δεύτερο, που ήταν ο κανόνας μέχρι τότε), ώστε να υπάρχει μεγαλύτερη ευκολία πρόσβασης και καλύτερη θέα. Τα δωμάτια της στοάς, με το χαρακτηριστικό υπερυψωμένο βάθρο περιμετρικά των τοίχων και τις οπές για τη στερέωση των ποδιών ξύλινων κλινών ερμηνεύονται ως αίθουσες εστίασης. Πίσω από τα βόρεια δωμάτια υπήρχε μια επιμήκης αυλή, με είσοδο από την κυρίως στοά, αλλά και από δύο πρόπυλα στη δυτική και ανατολική πλευρά της. Στο βόρειο τμήμα της αυλής σχηματιζόταν μια ακόμη στοά με πεσσούς να στηρίζουν τη στέγη. Στο δάπεδο αυτού του χώρου διατηρείται μακρά σειρά λίθων που φέρουν στο πάνω μέρος επιμήκεις εγκοπές.

Η κύρια στοά χρησιμοποιήθηκε επίσης για έκθεση πολλών αναθημάτων, που προσέφεραν οι γονείς στη θεά ως ένδειξη ευγνωμοσύνης, αν ο τοκετός είχε αίσια έκβαση. Ο λοιμός, που είχε πλήξει την πόλη εκείνη την εποχή, πιθανώς οδήγησε στην ανοικοδόμησή της, σε ένα ιερό που η ίδια η ίδρυσή του και οι τελετουργίες του συνδέονται με την προσπάθεια κατευνασμού της θεάς κατά τη διάρκεια ενός άλλου λοιμού, σύμφωνα με τον προαναφερθέντα μύθο. Την ίδια περίοδο κτίσθηκαν και άλλα οικοδομήματα στο ιερό, όπως μια γέφυρα πάνω από τον ποταμό Ερασινό, καθώς και ανακατασκευάστηκε ο ναός της θεάς, που είχε πλέον αμφιπρόστυλη διάταξη, δηλαδή με κιονοστοιχία στις δύο στενές όψεις μόνο.

Η θέση εγκαταλείφθηκε κατά τον 3ο αι. π.Χ., ακολουθώντας την τύχη της υπόλοιπης Αττικής, που ερημώθηκε όταν οι Μακεδόνες είχαν τον έλεγχο της Αθήνας. Οι προσχώσεις του ποταμού Ερασινού κάλυψαν το ιερό, ενώ υπάρχουν ελάχιστες ενδείξεις δραστηριότητας στη Ρωμαϊκή Εποχή. Το ιερό είχε πλέον σβήσει στα Βυζαντινά χρόνια.

Η Βραυρώνα άρχισε να ανασκάπτεται στα μέσα του 20ου αι. από τον Ι. Παπαδημητρίου για λογαριασμό της Ελληνικής Αρχαιολογικής Εταιρείας. Στα μέσα της δεκαετίας του 1960 αναστηλώθηκε μερικώς η στοά από το Χ. Μπούρα.

Το Αρχαιολογικό Μουσείο Βραυρώνας βρίσκεται πολύ κοντά στον αρχαιολογικό χώρο, κτίσθηκε το 1962 και εγκαινιάσθηκε το 1969. Στεγάζει ευρήματα του ιερού, αλλά και των ανασκαφών της ανατολικής Αττικής ευρύτερα. Στις τρεις πρώτες αίθουσες τοποθετούνται αντιπροσωπευτικά δείγματα από το ιερό, όπως αγγεία διαφόρων εποχών με παραστάσεις τοπικών τελετουργιών προς τιμήν της θεάς, χρυσά κοσμήματα, χάλκινοι καθρέπτες και περιδέραια από ημιπολύτιμους λίθους, προσφορές των γυναικών στην προστάτιδα των νεογέννητων. Εξαιρετικά είναι και τα μικρά αγάλματα των «άρκτων», των νεαρών θεραπαινίδων του ιερού. Θαυμάσια είναι και τα αναθηματικά ανάγλυφα του μουσείου, που χρονολογούνται τον 5ο και 4ο αι. π.Χ., εποχή που το ιερό βρισκόταν στην ακμή του. Στις άλλες δύο αίθουσες φιλοξενούνται ευρήματα από τα νεκροταφεία της Μερέντας (αρχ. Μυρρινούς), της Αναβύσσου, της Περατής (Πόρτο Ράφτη), και της Χαμολιάς.