林匹克体育场翻新后作为那届奥运会的主体育场。雅典奥组委整体工作进展缓慢，奥林匹克体育场翻新工程直到2000年才开始。体育场在2004年7月30日正式开放，但所有的工程实际在2004年8月5日才正式完工，离雅典奥运会开幕只剩8天时间。翻新工程采用了西班牙建筑师圣地亚哥·卡拉特拉瓦的设计方案，其亮点是精巧的顶棚，面积达2.5万平方米，重达1.87万吨，覆盖体育场的绝大部分座位。
举办赛事.雅典奥林匹克体育场作为2004年夏季奥运会的主体育场，承办了该届赛事中的大部分田径比赛和足球决赛。