Το ιερό της Δήμητρας είναι το πρώτο που αντικρίζει ο επισκέπτης μετά την είσοδό του στο αρχαιολογικό πάρκο. Αποτελείται από μία σειρά ναών που ήταν αφιερωμένοι στη λατρεία των θεοτήτων της γονιμότητας, ιδιαίτερα όμως της Δήμητρος, όπως προκύπτει από τα ανασκαφικά ευρήματα. 

Οι αρχαίοι έλεγαν ότι το όνομα της θεάς Δήμητρας σημαίνει «γη μητέρα». Η μεγάλη γιορτή για τη Δήμητρα και την κόρη της Περσεφόνη συνέπιπτε με την περίοδο της σποράς το μήνα Οκτώβρη και λεγόταν Θεσμοφόρια. Αθέατες πίσω από τον ψηλό περίβολο του ιερού οι μυημένες γυναίκες τελούσαν τις νυχτερινές μυστηριακές πράξεις για την ευφορία της γης και των γυναικών.

Δύο ναοί του ιερού, που μοιάζουν με τον πυρήνα του μυκηναϊκού ανακτόρου, «το μέγαρον», είναι τα παλιότερα λατρευτικά κτήρια που ανασκάφτηκαν ως τώρα στη Μακεδονία (6ος αι. π.Χ.). Στο εσωτερικό τους βρέθηκαν τελετουργικά σκεύη, πήλινα ειδώλια, λυχνάρια, αγγεία, κοσμήματα και νομίσματα. Ήταν αφιερωμένα στη Δήμητρα και την Κόρη. 

Στα τέλη του 4ου αι. π.Χ. αντικαταστάθηκαν από δύο δωρικούς ναούς με κίονες ανάμεσα στις παραστάδες της εισόδου. Σε έναν τετράγωνο χώρο δίπλα στους ναούς βρέθηκαν τρία πηγάδια πιθανώς μια ανάμνηση από το «καλλίχορον φρέαρ» της Ελευσίνας, όπου οι γυναίκες της περιοχής χόρεψαν για τη Δήμητρα. Ένας ναΐσκος με το βωμό στα ανατολικά του έχει στο εσωτερικό βάσεις για ένα μαρμάρινο τραπέζι, όπου απέθεταν τους πρώτους καρπούς κάθε χρόνο. Στο ίδιο ιερό λατρευόταν η Αφροδίτη, η Κουροτρόφος θεά και η Βαυβώ, που στο ανάκτορο της Ελευσίνας, με την τολμηρή συμπεριφορά της έκανε τη Δήμητρα να ξεχάσει τη θλίψη της για την Περσεφόνη που είχε αρπάξει ο Άδης.

Το ιερό της Δήμητρας παρέμεινε σε λειτουργία έως τα πρώτα χριστιανικά χρόνια.