À proximité des Propylées se trouvait le sanctuaire d'Artémis Brauronia, construit en 430 av. L'histoire de ce sanctuaire est basée sur une légende selon laquelle les habitants de Brauronia avaient chassé et tué un ours, l'animal sacré d'Artémis. En réponse, la déesse exigea que soient consacrées au culte des jeunes filles âgées de sept à onze ans qui vivraient dans le sanctuaire pour servir Artémis et que l'on appelait "ourses". Le bâtiment avait un plan trapézoïdal avec deux ailes latérales et une stoa mesurant environ 38 mètres de long sur 7 mètres de large.

Pausanias décrit plusieurs statues trouvées dans ce sanctuaire, dont une représentation d'Artémis réalisée par Praxitèle et un cheval de bronze symbolisant le cheval de Troie. Ce cheval de bronze laissait entrevoir quelques guerriers cachés à l'intérieur.