Το Καλλίχορον φρέαρ κατέχει σημαντική θέση στον μύθο της αναζήτησης της Δήμητρας για την κόρη της, Περσεφόνη, όταν αυτή απήχθη από τον Πλούτωνα. Μεταμφιεσμένη σε ηλικιωμένη γυναίκα, μετά από εννιά ημέρες ακούραστης αναζήτησης, η Δήμητρα κάθισε να ξαποστάσει κάτω από μια ελιά κοντά στο Παρθένιο φρέαρ, το οποίο αποτελούσε την κύρια πηγή νερού της Ελευσίνας. Όταν έφτασαν εκεί για να αντλήσουν νερό οι ανυποψίαστες κόρες του βασιλιά Κελεού, προσκάλεσαν τη θεά στο σπίτι τους. Εκεί, η Δήμητρα αποκάλυψε την πραγματική της μορφή και ζήτησε την ίδρυση ενός μεγαλοπρεπούς ναού μεταξύ του Καλλίχορου φρέατος και του παρακείμενου λόφου, σηματοδοτώντας την ιερότητα αυτής της τοποθεσίας.
Η χρονολόγησή του τοποθετείται στα τέλη του 6ου αιώνα π.Χ.. Βρίσκεται βορειοανατολικά των Μεγάλων Προπυλαίων, έχει βάθος έξι μέτρα και διάμετρο ανοίγματος 0,88 μέτρα. Δύο ομόκεντροι δακτύλιοι από ελευσινιακό λίθο, με οκτώ λίθους στον κάτω και τέσσερις στον άνω που ενώνονται με συνδέσμους διπλού Τ, περιβάλλουν το στόμιο του πηγαδιού. Το εσωτερικό του είναι επενδεδυμένο με ελευσινιακό ασβεστόλιθο.
Αρχικά, ο χώρος περιβαλλόταν από έναν αψιδωτό τοίχο με τρεις εισόδους. Γύρω στα τέλη του 3ου αιώνα π.Χ., αυτός ο τοίχος μετατράπηκε σε στηθαίο και αργότερα, κατά τον 3ο αιώνα μ.Χ., καταστράφηκε. Οι επόμενες τροποποιήσεις περιλάμβαναν την προσθήκη δύο πυλών από πωρόλιθο στο στηθαίο, με τη μία να διατηρεί ακόμα την αρχική της θέση και την άλλη πλέον να βρίσκεται κάτω από την πλακόστρωτη αυλή.
Καθ’ όλη τη διάρκεια της ιστορίας του, κάθε τροποποίηση στο ιερό γινόταν με σεβασμό στην ιερότητα του Καλλίχορου φρέατος. Αυτή η ευλάβεια ήταν εμφανής κατά την ανακατασκευή των τειχών οχύρωσης και των προπυλαίων, όπου οι νέες κατασκευές προσαρμόζονταν στα όρια του φρέατος. Αξιοσημείωτη είναι η διακοπή του χαμηλότερου σκαλοπατιού της εισόδου στα Μεγάλα Προπύλαια κατά την εποχή του Μάρκου Αυρηλίου, η οποία έγινε εσκεμμένα για να μην παραβιαστεί η ιερή περιοχή του πηγαδιού. Είναι πιθανό ότι κατασκευάστηκε ξύλινη πύλη και σκάλα που οδηγούσε από την αυλή προς το πηγάδι περίπου την ίδια εποχή.
Το Καλλίχορον φρέαρ αποτελούσε το πρώτο ιερό τοπόσημο που συναντούσαν οι προσκυνητές που έφταναν με την πομπή από την Αθήνα στο ελευσίνιο ιερό την 19η του Βοηδρομιώνα. Έτσι, λειτουργούσε ως σημείο αναφοράς, τόσο για τη νοερή και πρακτική επίκληση της Δήμητρας, όσο και για την επερχόμενη μύηση των αμύητων και τελετουργική κορύφωση για τους μυημένους. Ο Παυσανίας αναφέρει ότι σε αυτό το πηγάδι οι γυναίκες συμμετείχαν σε τελετουργικά τραγούδια και χορούς προς τιμήν της θεάς.
