Après l’impulsion apportée par les projets novateurs de Néron, suivis des réalisations colossales des Flaviens et de Trajan, les Romains maîtrisaient parfaitement les techniques de l’art du bâtiment, comme en témoignent les vastes coupoles de la domus aurea de Néron et des thermes de Baïes : celle du prétendu « temple de Vénus » a un diamètre de 26 m, celle du « temple de Diane » atteint 29,5 m et celle du temple d’Apollon, près de Baïes, parvient à un diamètre de 38 m. Elles sont toutes antérieures au règne d’Hadrien[11].
Les connaissances techniques et le savoir-faire des bâtisseurs romains se déployèrent pour cette reconstruction du Panthéon : leur capacité à mobiliser efficacement une main-d’œuvre nombreuse, l’usage combiné de la pierre, de la brique et du mortier, la maîtrise des techniques du béton[13] de chaux coulé sur coffrage, contribuèrent au succès de la réalisation du nouveau temple. L’esthétique ne fut pas en reste, comme le montrent les effets géométriques, le choix décoratif des matériaux et le travail sur l’éclairage intérieur.
La reconstruction du Panthéon conserva l’axe nord-sud de l’édifice, mais inversa l’orientation de l’entrée et la dirigea vers le nord. Le pronaos et le bâtiment de transition avec la rotonde occupèrent l’emplacement de l’ancien édifice, et la rotonde remplit l’espace entre l’ancienne entrée et la basilique de Neptune. Le nouveau temple fut entouré d’un portique sur trois côtés d’environ 60 m sur 120 m, et précédé d’une cour pavée de travertin[5].
Le pronaos, qui mesure 33,10 m de large pour 15,6 m de profondeur[14], était surélevé par un podium de 1,3 m et accessible par un escalier de cinq marches. Au fil des siècles, le sol environnant s’est exhaussé, et la place qui entoure le Panthéon atteint maintenant le niveau du podium.
Le portique de façade comporte 16 colonnes corinthiennes monolithes de granite, à chapiteaux de marbre, disposées sur trois rangs : huit colonnes en façade suivies de deux rangs de quatre colonnes. Les colonnes extérieures sont en granite gris clair, les quatre colonnes intérieures sont en granite rose plus sombre. Toutes proviennent des carrières d'Égypte. Les fûts de 12,5 m de hauteur pour un diamètre à la base de 1,5 m pèsent environ 69 tonnes. Innovation architecturale à noter, le fût des colonnes n’est pas cannelé mais lisse. Deux colonnes ont été retirées au Moyen Âge à gauche et remplacées par des colonnes des thermes de Néron au XVIIe siècle[15].
La colonnade ainsi disposée délimite trois nefs, la nef centrale conduit à la grande porte du temple, les deux nefs latérales donnent sur deux niches en demi-cercle qui devaient abriter des statues, probablement celles d’Auguste et d'Agrippa. La couverture du pronaos était en tuiles de bronze, aujourd’hui remplacées par des tuiles classiques.
Le temple a deux frontons surhaussés, le principal sur le portique, l'autre contre le mur massif qui fait la transition entre le pronaos et la rotonde. L’architrave porte deux inscriptions, celle de la fondation par Agrippa, et une seconde plus petite, mentionnant une restauration sous Septime Sévère. Le fronton, actuellement nu, était orné de décors en bronze fixés par des crampons. D’après la position des trous de fixation et la connaissance du répertoire décoratif impérial, on suppose la présence d’une aigle de bronze aux ailes déployées[15].
Entre le pronaos et la rotonde un bâtiment intermédiaire, aussi large que le pronaos qu’il prolonge, soit 34 m, mais plus haut que lui, culmine au même niveau que la rotonde. Il forme le fond du pronaos et relie le pronaos à la cella, livrant passage de l’un à l’autre par son portail central. Sa couverture est en terrasse.
Les actuelles portes de bronze, de proportion différente de celle de l’entrée, proviennent d’un autre édifice antique, et sont les plus grandes que l’Antiquité nous ait léguées. Les placages de marbre blanc qui couvraient les parois extérieures et les décoraient de pilastres cannelés sont partiellement en place.
Le Panthéon est donc articulé en trois blocs architecturaux aux volumes différenciés, pronaos en prisme, bâtiment de transition cubique et rotonde circulaire. L’unité visuelle et esthétique s’établit d’une part grâce au prolongement des corniches médiane et supérieure qui ceinturent le haut de la rotonde et du bâtiment de transition, d’autre part par le dessin d’un second fronton sur la façade du bâtiment de transition, en écho du fronton du pronaos.
La rotonde est un mur parfaitement circulaire de 58 m de diamètre extérieur qui forme une double paroi de près de 7 m d’épaisseur. Elle repose sur une fondation puissante, large de 7,30 m et profonde de 4,5 m[14]. Sa partie intérieure, d’un rayon de 21,7 m égal à sa hauteur intérieure, assure un double rôle : elle forme le décor de la cella, et elle soutient le poids de la coupole. Ce mur intérieur est subdivisé en deux niveaux horizontaux :
Le niveau inférieur est évidé par sept exèdres, alternativement semi-circulaires et trapézoïdales (voir plan). L’entrée constitue la huitième exèdre. Chaque exèdre est bordée par deux colonnes corinthiennes cannelées et deux pilastres de marbre jaune. L’exèdre qui fait face à l’entrée adopte une structure différente : les colonnes y sont remplacées par un arc de décharge qui mord sur le niveau supérieur et qui renvoie les forces verticales sur deux pilastres latéraux. La décoration du niveau inférieur est complétée par une série de petits édicules en légère saillie au fronton alternativement triangulaire ou curviligne. Chaque édicule placé entre deux exèdres en allège le caractère massif crée par les colonnes de soutien. Ces édicules abritaient des statues sur piédestal[5].
Le niveau supérieur, délimité par deux corniches circulaires, est un décor de transition, alternant de fausses fenêtres carrées, des plaques de marbre de couleur et des rectangles de porphyre. Cette décoration réalisée en 1747 par Luigi Vanvitelli remplace la décoration romaine d’origine. Dans l’Antiquité, de vraies fenêtres grillagées laissaient passer une lumière diffuse, indirectement captée de l’extérieur par les petites ouvertures du mur extérieur. Ces ouvertures engendraient une lueur quasi crépusculaire à la base de la coupole, renforçant l’effet de voûte céleste. Elles ont été partiellement reconstituées en 1930 sur une petite portion à droite de l’entrée[16].
Le dallage du sol, parfaitement restauré, est en marqueterie de dalles de pierres colorées (opus sectile). Il dessine un quadrillage où alternent des plaques de porphyre et de granite gris formant des motifs alternativement ronds et carrés. Pour faciliter l’évacuation des eaux de pluie qui pénètrent par l’orifice de la coupole, ce dallage est légèrement convexe, avec une surélévation de 30 cm à environ 2 m du centre de la rotonde.