Второй храм был большего размера, и с востока к нему примыкал алтарь. Третий храм, от которого сохранилось значительное число артефактов, был построен около 500 г. до н.э. Это перипетральный храм дорического ордера с числом колонн по сторонам 6х12 (размер по стилобату 13.8x28.5 м). Скульптурные группы фронтонов относятся к двум периодам: западный фронтон – примерно к 500 г. до н.э., восточный – к 480 г. до н. э. Это объясняется разрушением части восточного фронтона в период греко-персидских войн (возможно, молнией). Поврежденные статуи похоронили – точно так же, как и на афинском Акрополе. А сцену на фронтоне заменили новой – с Афиной в центре.
Храм был выполнен из местного известняка, покрытого штукатуркой, по которой были нанесены фоновые краски и, возможно, росписи. Только скульптуры фронтонов и акротериев были изготовили из паросского мрамора. При строительстве нового храма участок был расширен и выровнен, возведены подпорные стены, пропилеи приобрели классическую форму – по образцу афинского Акрополя.
Храм Афайи несет на себе как признаки архаики, так и некоторые новации. Архаичным признаком является более плотное расположение колонн на боковых сторонах – в сравнении с торцевыми. Хотя для исправления зрительного восприятия здесь еще не используются курватуры (искривления горизонтальных линий), но имеется наклон наружных колонн внутрь строения, а также небольшое утолщение угловых колонн.
Еще важнее было применение цвета: тения архитрава (полочка под фризом) и карниз были ярко-красными, триглифы – черными и темно-синими, сима (украшение водостока) и антефиксы (украшение над карнизом) в виде пальметты также были раскрашены синей и красной краской. Фон фронтонов имел небесно-голубую раскраску.
Западный фронтон представляет описанную в "Илиаде" войну с участием эгинета Аякса Теламонида, а восточный – более раннюю войну с участием Геракла и эгинета Теламона против троянского царя Лаомедона. Центральной фигурой обоих архитравов является Афина. Фигура восточного фронтона сохранилась лишь в виде фрагмента, считается, что она простирает эгиду (может быть, над павшим воином или над Гераклом). На западном фронтоне богиня изображена со щитом в гофрированном хитоне и длинном плаще. Изваяние богини отличается от других фигур статичностью, присущей наиболее архаическим формам, сближающим ее со священными столпообразными образцами, которые хранились греками в храмах еще во времена Павсания.
Реконструкции фронтонных композиций являются гипотетическими, многие фигуры легко переставляются местами, что не влияет на напряженность сюжета и позволяет при каждой подобной манипуляции заново воссоздавать целостность скульптурных групп. Нельзя однозначно определить, движутся ли фигуры к центру композиции или от нее, лежат ли павшие воины ногами к краям фронтона или к центру, разделяет ли Афина противостоящих воинов или стоит посреди тех, кому покровительствует, и позволяет отразить нападающих, которые наступают от краев композиции. Также нельзя наверняка сказать, существовала ли на восточном фронтоне центральна фигура богини или здесь было какое-то другое божество или фигура героя.