В V веке до н.э. идёт интенсивная застройка Теменоса, которая придала ему совершенно другой облик. Вместо разбросанного и неоформленного святилища, где значительное место было отведено «священным» деревья и другим предметам ,характерным для ранней греческой религии, появляется чётко ограниченный постройками комплекс. К V веку до н.э. относится сооружение главного алтаря из известняка рядом с ранее существовавшим алтарём, храм Аполлона Дельфиния и алтарь для сожжения жертвоприношений расположенный среди ещё сохранившейся рощи. К северу от алтаря для сжигания обнаружили остатки ещё одного алтаря, от которого сохранилось лишь основание. Роща в V веке до н.э. была сокращена за счёт храма.
Нет сомнения, что на месте храма Зевса в северо-западной части Теменоса, стоял более ранний храм. Там же в западной части находился большой каменный водоём для сбора дождевой воды.
В последней четверти IV века до н.э. Теменос снова перестраивается. Основной причиной было низкое положение по сравнению с городом культовых сооружений. Весь уровень Теменоса был поднят, после чего началось новое строительство. Первым стал возводиться храм Аполлона Дельфиния. Новый храм был много больше и занимал не только площадь старого, но и часть прилежащих к нему сооружений. До нас от этого храма дошли только остатки слоевого фундамента, ширина которого была 16 метров, а длина не менее 30-35 метров.
В III веке до н.э. был построен новый храм в северо-западной части святилища, ориентированный на юго-восток. Этот храм был посвящён Зевсу.
В период эллинизма очевидно было построено ещё одно квадратное в плане здание. Для снабжения Теменоса водой к северу от выхода была сооружена огромная цистерна глубиной около 9 метров, сильно расширявшаяся к низу. Цистерна наполнялась дождевой водой, собиравшейся вероятно с крыши нового храма Аполлона Дельфиния. Даже к северу на месте существовавшей ранее мастерской по изготовлению металлических изделий строилась более крупная мастерская по изготовлению терракотовых статуэток.
Перед входом в Теменос эллинистического периода устраивалась небольшая площадь 20х20 метров, в середине которой был водоём.
Теменос начал разрушаться ещё за долго до разгрома Ольвии гетами в середине I века до н.э. Главный алтарь святилища был полностью разрушен.
У нас нет прямых данных, которые могли бы указать, с какими событиями в истории древней Ольвии могло быть связанно разрушение фундаментальных сооружений Теменоса. Вероятнее всего разбор храмов произошёл во время подчинения Ольвии государству поздних скифов во второй половине II века до н.э.
Раскопки Агоры начались в 1946 году и велись систематически до 1953 года. Затем последовал перерыв, а в 1958 году возобновились работы в юго-восточной части. В 1959 году предпринято вскрытие северо-восточной части городской площади.
Одним из наиболее важных результатов раскопок гора за последние годы является открытие остатков Большой Стои. Это было весьма фундаментальное сооружение, длина которого достигала 45 метров, а ширина в первый строительный период 14,5 метров, во второй – 17,5 метров. Первоначально казалось, что Стоя отделявшая Теменос от Агора, была двунефной и, что южная половина её предназначалась для Агоры, а северная для Теменоса. И когда внутри Стои в 1958 году были открыты три отдельно стоявших слоевых фундамента, расположенных по одной оси, то стало очевидно, что внутри находилась колонада в девять колон. В результате открытия Большой Стои была выяснена граница Агоры эллинистического периода.
Раскопки северо-восточной части открыли здания с торговыми комплексами IV-II веков до н.э. Были также обнаружены остатки сложной гидросистемы, сооружённой в V веке до н.э. От неё сохранились: каменный водоём, полуподвальное каменное здание, круглая шахта, глубиной 3 метра, подземный ход, два колодца.
Исследован также комплекс IV-II веков до н.э., где открыто три подвальных помещения, каменные стены, выбранные в I веке н.э. В одном из подвалов было найдено 133 монеты. Скопления монет в какой-либо определённой части помещения не наблюдалось. Они равномерно распределялись по всей его площади. Все монеты ольвийской чеканки. Преобладают борисфены.
Немногочисленный керамический материал нового эллинистического комплекса был близок к керамике из засыпи. Мы встречаем ту же продукцию пергамских мастерских III-II веков до н.э. – обломки чёрно-лаковых сосудов, лутериев в резным орнаментом. Обломки буро-лаковых «мегарских» чашек. На одной из них частично сохранилась кирбья. Выделяется тонкостенная чёрно-лаковая керамика.
Благодаря раскопкам выяснено, что Большая Стоя являлась северной границей не всей Агоры, а лишь оформлением площади, свободной от построек.
Одним из наиболее интересных является фрагмент кратера теннийского производства, относящегося к IV веку до н.э. Раскопки Агоры дали и остатки надписей на мраморных плитах.
После гетского разгрома население вернулось в Ольвию по просьбе скифов заинтересованных в зарождении города как торгово-посреднического центра. Начинает возрождаться хора Ольвии. Судя по сообщению Диона Хрисостома в городе поселилось большое количество негреческого населения, которое оказало значительное влияние на культуру Ольвии. Облик города сильно меняется, а его площадь сокращается.
Линию стен I века н.э. указывает искусственно вырытый ров, на месте которого позднее образовалась вторая поперечная балка. Следы стены зафиксированы на Верхнем плато, раскопанном в 1908 году. Некоторое представление о стене дают её остатки открытые в Нижнем городе. Сохранилось несколько рядов фундамента с облицовкой камня. Ширина стены (всего лишь 1,7 метра) не соответствует масштабам V-IV веков до н.э.
В плотную к стене были пристроены жилища ольвиополитов. Это были однокомнатные полуподвальные постройки с очагами и смежными стенами из камня. Они были вытянуты в один ряд между оборонительной стеной и узкой улицей с южной стороны. К сооружениям I века н.э. относят и алтарь из дерева, возведённый на месте разрушенного мраморного. Об этом свидетельствуют тёмные круглые пятна – следы от установки деревянных опор, окружавших алтарь из известняка. Этот алтарь повторял форму раннего, немного превышая его размеры. Находясь за городской стеной к концу I века н.э. алтарь перестал функционировать. В конце I века н.э. в городе был возведён храм Зевса. К середине I века н.э. в районе Теменоса были построены производственные сооружения: две гончарные печи, винодельня и большое зернохранилище. На рубеже I-II веков н.э. были созданы винодельни в западной части Агора. Производственный район ограждал от севера вырытый ров – первая линия обороны послегетской Ольвии. Создание экономического района говорит о возрождении Ольвии в I веке н.э. О развитии гончарного ремесла свидетельствуют несколько районов с гончарными мастерскими. Один из таких районов вырос в Верхнем городе в отдалении от стен на заброшенной окраине эллинистической поры. Ещё один район с гончарными печами был создан в Нижнем городе, около линии его обороны. В гончарном районе около Северной балки открыты пять печей для обжига сосудов. От одной из них, в наилучшей сохранности, дошло топочное отделение со столбами в центре и часть обжигательной камеры, диаметром 1,2 метра. Из двух печей одна, округлой формы и небольших размеров, служила для изготовления сосудов, другая, прямоугольная 2х3 метра, для изготовления черепиц. Сохранились следы столбов почти квадратной формы. Найдены болванки для формовки округлых калиптеров и куски брака черепицы.
Гончарный район в Нижнем городе начал функционировать в I веке н.э. и просуществовал до конца III века н.э.
Большое зернохранилище 2х3 метра с каменными горловинами закрывались плитами. Зернохранилище Верхнего города прекращает функционировать на рубеже I-II веков н.э.
Однако оно находилось на территории Теменоса. Зернохранилище состояло из ям, врезанных своим основанием в материк. Значение ям выяснилось после выяснения закономерностей в их расположении. В засыпях их стали находить крышки. Одна из ям чудом дошла до нас в полной сохранности. Она была закрыта каменной крышкой, лежавшей на каменной обкладке округлой горловины. Её стенки оказались изветвлёнными ходами грызунов. Ясно, что она была наполнена зерном.
От виноделия на территории Теменоса сохранились лишь днища трёх резервуаров и гиря рычажного пресса. От винодельни на западной стороне Агоры мы имеем остатки двух площадок и три резервуара. Сохранились остатки винодельни в северо-западной части Верхнего города. Несмотря на экономический подъём в I веке н.э. внешнеполитическая обстановка создавала неустойчивое положение в городе. В конце I века н.э. Ольвия оказалась вновь, хотя и на короткий срок, в зависимости от царей Форзая.
Ко II веку н.э. Ольвия достигает экономического подъёма. Окраинный район в Нижнем городе благоустраивается. Вдоль его улиц сооружаются водосточные канавы. Ведётся строительство общественных зданий: учебных заведений, бань, портика. Увеличиваются размеры домов. В одном из них обнаружено помещение с мозаичным полом из разноцветной гальки. Другой дом имел восемь помещений, одно из которых служило лавкой. В Верхнем городе открыт большой дом.
Особенное внимание во втором веке уделялось сооружению оборонительных стен и реконструкции старых. Когда притеснённые варварами ольвиополиты обратились за помощью к римлянам, в южной части города возводится укреплённая цитадель. Её северная стена была 3 метра. Она возводилась из плит длинной 1,5 метра. Башни, остатки которых мы имеем, находились у главного входа, к которому вела улица, сохранившая направление главной магистрали до гетского периода. Башни к востоку от ворот отличались от башен главного входа. Северную стену цитадели, остатки которой дошли до нас, на всём её протяжении сопровождал ров.