Los otros templos son mucho más fragmentarios, habiendo sufrido terremotos hace tiempo, y habiendo sido saqueadas sus piedras.
Inmediatamente después de la entrada del parque, al oeste, se encuentra de frente el templo de Zeus Olímpico (u Olimpieion). Este Templo de Zeus Olímpico es, con diferencia, el de mayor tamaño. Se trata de un templo dórico pseudoperíptero con unas dimensiones excepcionales, de 56,30 × 112,60 m. Se cree que es el templo dórico más grande nunca construido, y el tercero entre los templos griegos.
Fue construido por el tirano Terón en 480 a. C., después de su victoria sobre los cartagineses en la Batalla de Hímera, a la gloria de los griegos vencedores de los bárbaros. Su identificación como templo de Zeus se pasa en el testimonio de Diodoro Sículo, que dejó una descripción.
Al este del templo se encuentra aún el altar sobre el que se procedía a las hecatombes o sacrificios de cien toros.
El basamento (krépis) con cinco gradas soportaba una sala hipóstila de inspiración cartaginesa, compuesta de dos hileras de 12 pilares cuadrados cada una, de 21 m de alto, con muros hasta aproximadamente media altura. El peristilo se componía también de pilares, 7 de ancho y 14 de largo, de una altura de 17 m, con medias columnas unidas por las caras, todo ello formando masas de piedra de 4 m de diámetro.
Estos pilares externos estaban conectados entre ellos por divisiones: por ello se habla de templo «pseudoperíptero». El peristilo y las naves laterales estaban cubiertos, mientras que la cella en sí sería probablemente hipetra, esto es, abierta al cielo.
El número de columnas en la fachada era impar, encontrándose un pilar central en vez del habitual acceso hacia la cella; la entrada se hacía por dos pórticos situados en los extremos de la fachada este, dando acceso directo a las naves laterales, así como, según parece, por una pequeña entrada practicada en el medio del lado meridional. Se caracteriza este templo por la presencia de los llamados telamones, estatuas colosales con aspecto humano.
Se encontraban en una especie de nichos creados en la parte alta de las divisiones situadas entre las columnas exteriores. Estas estatuas tenían alrededor de 8 m de alto y soportaban el peso de la cubierta. Tenían rasgos cartagineses y simbolizaban a los bárbaros vencidos, reducidos a la esclavitud por los griegos. Se añadían a una representación del combate de los dioses del Olimpo contra los gigantes, tallada sobre el frontón este del templo. En 1825, el pintor y arqueólogo Rafaello Politi hizo reconstruir en el suelo a uno de estos gigantes, a partir de elementos dispersos. El gigante visible sobre el lugar es una copia, dado que el original se encuentra expuesto, en posición vertical, en el Museo arqueológico de Agrigento.
Aunque aparentemente este templo se usó, parece que nunca se acabó; la construcción se abandonó después de la invasión cartaginesa del año 406 a. C. Sus pequeñas piedras se reutilizaron ampliamente en construcciones de siglos posteriores, como los embarcaderos de Porto Empedocle (siglo XVIII).