Огромный купол и ротонда представляют собой шедевр римской строительной техники: вся конструкция выполнена из монолитного бетона, лишь нижняя зона купола армирована кирпичными арками. Для облегчения конструкции ротонда расчленена семью большими симметрично расположенными нишами (четыре проямоугольных и три полуциркульных), место восьмой ниши занимает вход. Кроме того, с той же целью в толще сегментов сделаны еще восемь скрытых ниш поменьше. Полусферический кессонированный купол имеет в центре круглое обрамленное бронзовым бордюром отверстие (опайон) диаметром ок. 9 м, через которое и проникает свет. Состав бетона менялся в зависимости от высоты купола: на нижних поясах наполнителем служила твердая травертиновая крошка, на верхних крошка туфа и легкой пемзы. Купол поднимается над ротондой на 22 м, так что высота здания в целом почти равна внутреннему диаметру ротонды (43,5 м) и достигает 42 м. Пол вымощен разноцветным мрамором; облицовка стен ротонды выполнена также из разноцветного мрамора.
Проходя через огромные двойные бронзовые врата высотой 7 м, сохранившиеся с античности (правда, они были отреставрированы), посетитель выходит в прямоугольный вестибюль, который примыкает к ротонде с севера и переходит в просторный портик шириной 30 м и глубиной 14 м. Портик покоится на 16 монолитных гранитных колоннах коринфского ордера с беломраморными капителями (по фасаду их 8, высота колонн 14 м, диаметр 1,5 м); колонны поддерживают мраморный антаблемент и треугольный фронтон. Наружные стены вестибюля частью выложены из мраморных блоков, частью покрыты мраморной облицовкой. Сверху купол был покрыт позолоченной бронзой.
Пантеон сохранился в сравнительно хорошем состоянии благодаря тому, что с 609 был превращен в христианский храм Санта Мария ад Мартирес (его называют еще Санта Мария Ротонда, или просто Ротонда). В одной из боковых капелл Пантеона похоронен Рафаэль; впоследствии здесь же похоронили первого короля объединенной Италии Виктора Эммануила II. Название «Пантеон» закрепилось и за монументальным храмом св. Женевьевы в Париже, приобретя с тех пор новый смысл усыпальницы национальных героев.