Η Φιλώνειος Στοά αποτελεί ένδειξη της φιλοδοξίας των Αθηναίων να προσδώσουν μνημειακότητα στο Τελεστήριο. Η κατασκευή της χρονολογείται λίγο μετά το 360 π.Χ., αλλά χρειάστηκαν πολλές δεκαετίες για να ολοκληρώσει το έργο ο Φίλων, στα χρόνια του Δημητρίου του Φαληρέως (317-307 π.Χ.). Ο Βιτρούβιος, Ρωμαίος συγγραφέας και αρχιτέκτονας, σημειώνει ότι «όταν ο Δημήτριος ο Φαληρεύς απέκτησε απόλυτη εξουσία στην Αθήνα, ο Φίλων μετέτρεψε τον ναό σε πρόστυλο με την προσθήκη κιόνων στην πρόσοψή του». Πληροφορίες των εργασιών παραδίδονται από μια διασωθείσα επιγραφή που αναφέρει τις πληρωμές για τη μεταφορά των σφονδύλων των κιόνων από τα λατομεία της Πεντέλης στην Ελευσίνα.
Σήμερα, τα ερείπια της Στοάς αποτυπώνουν στο ελάχιστο το μεγαλεπήβολο σχέδιο του Φίλωνα. Έχουν επιβιώσει μόνο τα θεμέλια, το δάπεδο, μερικοί σφόνδυλοι των κιόνων και λίγα τμήματα της ανωδομής. Οι Αθηναίοι, δίνοντας προτεραιότητα στη δομική ακεραιότητα, τοποθέτησαν τα θεμέλια απευθείας πάνω στο φυσικό βράχο σκάβοντας βαθιά, όπως φαίνεται από τη νοτιοανατολική γωνία των θεμελίων με τις δεκαοκτώ στρώσεις λίθων. Μερικοί από αυτούς τους λίθους φέρουν ακόμη τα τεκτονικά σημεία. Για το δάπεδο και τα σκαλοπάτια χρησιμοποιήθηκε τοπικός ελευσινιακός ασβεστόλιθος, και η υπόλοιπη στοά κατασκευάστηκε από πεντελικό μάρμαρο. Από τους αρχικούς δεκατέσσερις δωρικούς κίονες, μόνο τμήματα των κατώτερων σφονδύλων έχουν διασωθεί. Στη βάση των κιόνων υπάρχουν ελλειψοειδείς αυλακώσεις που θα χρησίμευαν ως οδηγοί για τη διαμόρφωση των ραβδώσεων στους κορμούς των κιόνων, όμως οι διασωθέντες σφόνδυλοι είναι αρράβδωτοι, γεγονός που δείχνει ότι αυτό το τμήμα της εργασίας δεν ολοκληρώθηκε ποτέ. Επιπλέον, οι μετόπες και το αέτωμα της στοάς παρέμειναν ακόσμητα.
Η Φιλώνειος Στοά υπέστη σημαντικές ζημιές κατά την εισβολή των Κοστοβώκων, το καλοκαίρι του 170 μ.Χ. Παρ’ όλα αυτά, υποβλήθηκε σε άμεσες επισκευές και συνέχισε να λειτουργεί μέχρι την τελική παρακμή του ιερού της Δήμητρας.
