Ο Ναός της Αθηνάς Σουνιάδος ήταν ένα πολύ ασυνήθιστο και ιδιόμορφο οικοδόμημα. Πρόκειται για έναν ιωνικό ναό με ορθογώνιο σηκό, που περιβαλλόταν από κιονοστοιχία μόνο στη νότια και ανατολική πλευρά. Ο λόγος για τον οποίο πραγματοποιήθηκε αυτό το σχέδιο δεν είναι σαφής. Πιθανότατα το σχέδιο του ναού ήταν έτσι από την αρχή. Εάν όχι, τότε η κιονοστοιχία προστέθηκε λίγο μετά την κατασκευή του και είχε αυτό το σχήμα για πρακτικούς αλλά και αισθητικούς λόγους.
Ο ναός γενικά χαρακτηριζόταν από λιτότητα. Δεν υπήρχε καθόλου γλυπτός διάκοσμος και τα χρώματα περιορίζονταν πιθανώς στα γείσα και την πήλινη σίμη. Στο εσωτερικό του υπήρχε άγαλμα υπερφυσικού μεγέθους, του οποίου η βάση σώζεται μέχρι σήμερα. Οι διαστάσεις του ναού ήταν 16,4 Χ 11,6μ και στο μέσο του σηκού του υπήρχαν τέσσερις κίονες για τη στήριξη της στέγης.
Στα ρωμαϊκά χρόνια το ιερό είχε πλέον εγκαταλειφθεί και έτσι η εξωτερική κιονοστοιχία μεταφέρθηκε και χρησιμοποιήθηκε σε κτήριο της Αγοράς της Αθήνας.