La grandiosa struttura è costituita da un cilindro, di 43,30 metri di diametro (pari all'altezza interna), su cui poggia una cupola semicircolare, aperta al sommo in un oculus, l'unica fonte di illuminazione. La parete della sala interna è mossa da otto profonde nicchie; l'ingresso è preceduto da un pronao di forma classica, con colossali colonne in granito egizio. L'edificio, che non trova confronti nell'architettura templare, ma mostra invece analogie con le grandi sale delle terme, rappresenta uno dei massimi risultati dell'arte romana, in particolare di quella dell'epoca di Adriano:

fu in questo periodo che si sperimentarono infatti piante complesse e soluzioni ardite, come si può notare nella villa dell'imperatore a Tivoli. All'interno del Pantheon vi sono le tombe di importanti personalità della storia e dell'arte italiana (Raffaello, Annibale Carracci, Vittorio Emanuele II): per questo motivo il termine è passato a designare anche altri edifici che accolgono le spoglie di personaggi eminenti di un paese. L'abbazia di Westminster a Londra, dove sono sepolti artisti, musicisti e letterati, e la cattedrale di San Paolo costituiscono i pantheon del Regno Unito. A Parigi, la chiesa di Sainte-Geneviève, realizzata in stile neoclassico dall'architetto Jacques-Germain Soufflot (1764), in seguito secolarizzata e ribattezzata Pantheon, fu destinata a luogo di sepoltura degli eroi della Rivoluzione francese. Negli Stati Uniti, il Campidoglio di Washington assolve anche a funzioni di mausoleo."Pantheon, Roma," Microsoft® Encarta® Enciclopedia Online 2008
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