Πίσω από τους στύλους του Ολυμπίου Διός βρίσκεται το αρχαιότερο χριστιανικό μνημείο της Αθήνας, ναός αφιερωμένος στον άγιο Λεωνίδη, επίσκοπο Αθηνών που μαρτύρησε τον 3ο αιώνα. Ο Γ. Σωτηρίου που ανέσκαψε συστηματικά το μνημείο (1916-1917), το χρονολογεί στις αρχές του 5ου αιώνα. Η βασιλική κτίστηκε πλάι στο Μαρτύριον με τα οστά του αγίου και επτά γυναικών που σταυρώθηκαν μαζί του και η ίδρυσή της συνδέεται με την Αθηναΐδα-Ευδοκία, σύζυγο του Θεοδόσιου Β΄. Κρίνοντας από τη μοναδική καλλιέπεια του ναού, η χορηγία της αυτοκράτειρας πρέπει να ήταν γενναία. Για άγνωστους λόγους όμως ο ναός εγκαταλείφθηκε και η τελειωτική καταστροφή του αποδίδεται στο διοικητή της Αθήνας Χατζή-Αλή που το 1778 χρησιμοποίησε υλικά του στην οχύρωση της πόλης.
Ο τεράστιος ναός ήταν μια τρίκλιτη ξυλόσκεπη ελληνιστική βασιλική με δύο εγκάρσια κλίτη στο ιερό βήμα και το νάρθηκα. Τέσσερις τεράστιοι πεσσοί στήριζαν ένα είδος τρούλου ή θόλου, γεγονός που καθιστά το ναό μεταβατικό τύπο προς τη μεγαλοπρεπή τρουλαία βασιλική του 6ου αιώνα, στην οποία ο τρούλος του ιερού βήματος μετατοπίζεται στο κέντρο του ναού. Ο νάρθηκας είχε τη μορφή που βλέπουμε στον Άγιο Δημήτριο και την Αχειροποίητο της Θεσσαλονίκης. Οι εσωτερικοί τοίχοι του ναού ήταν καλυμμένοι με ορθομαρμάρωση από πεντελικό μάρμαρο, το δάπεδο ήταν στρωμένο με θαυμάσιο ψηφιδωτό, εξαιρετικός είναι ο διάκοσμος στα αρχιτεκτονικά μέλη. Στα προσκτίσματα του ναού ανήκει η κρύπτη-Μαρτύριον του αγίου Λεωνίδη και ένα πιθανό Βαπτιστήριο.