בשנת 1882–1883, שני מגדלי הפעמונים שבחזית הפרונאוס והמבנים שגבלו באחורי רוטונדה הוסרו. בשנת 1892, האדריכל ז'ורז'-פול שדאן (G. P. Chedanne) החל לחשוף לבנים עם חותמות על פי הן גובשה הקביעה שאדריאנוס היה הקיסר האחראי לגרסתו הנוכחית של הפנתאון. עם זאת, הוחל בשחזור כתובת הברונזה אשר ייחסה את בנייתו לאגריפה.
כיפת הפנתאון הייתה המרכיב הבולט במבנה אשר ליווה את דימוי הקבורה שיוחס לו, מאז הופצה האגדה על כך שהאפיפיור בוניפקיוס הרביעי הביא עצמות קדושים מהקטקומבות לקבורה מחדש בפנתאון. על אסוציאציה זו נסמך הצייר רפאל כאשר ביקש להיקבר בפנתאון בשנת 1520. הוא נקבר תחת האדיקולה השנייה משמאל לנישה הראשית שמול הכניסה לרוטונדה ואמנים נוספים אחרים מתקופתו חיקו תקדים זה של קבורה. מסורת הקבורה בפנתאון הגיעה לשיאה עם קבורתו של ויטוריו אמנואלה השני, מלכה הראשון של איטליה המאוחדת אשר נפטר בשנת 1878. קברו הוקם בנישה המערבית של הרוטונדה בשנת 1884, תחת הוראת בנו ויורשו, אומברטו הראשון, אשר נטמן גם הוא בנישה המזרחית שממול, בין השנים 1904–1911.
פרויקט השחזור המרכזי במבנה היה בין השנים 1929–1932. תחת פיקוחו של האדריכל אלברטו טרנציו, בוצעו תיקונים בקירות הלבנים החיצוניים של הרוטונדה, חיפוי האבן הפנימי חוזק והמזבח הגבוה הוחלף במקבילה מלוטשת ומודרניסטית. כל זאת, לצד שיחזור חלק מעליית הגג כפי שצוין לעיל.
בשנת 1929, במסגרת ההסכמים הלטרניים שבין בניטו מוסוליני והכס הקדוש, הפנתאון הוכר כבזיליקת הפלאטין של משפחת סבוי, בכך חוזק דימויו השושלתי, אשר אפיין אותו עוד מימי הקיסר אוגוסטוס. בתקופה זו של שלטון מוסוליני, (1922–1943) ביקשו הוא ונציגיו להרוויח מן המוניטין העתיק של המבנה: ארמנדו ברסיני (Armando Brassini) הציע תכנון מחודש לפיאצה דלה רוטונדה, בהשראת סכמות תכנון מתקופתו של נפוליאון ותכנון מוקדם של הפיאצה ב-1882, לזכר המלך ויטוריו אמנואלה השני.
התכנון המחודש כלל פיאצה שקועה מוקפת בפסלים עתיקים ממוזיאוני רומא ובמרכזה פסל להנצחתו של מוסוליני. הפרויקט נעצר בזכות התערבותו של האדריכל וההיסטוריון גוסטבו ג'ובאנוני (Gustavo Giovannoni), אשר האמין בחשיבות שימורם של הרבדים ההיסטוריים השונים, ונסמך על מסמכי מדיניות שימור רשמיים אשר הדגישו את כיבוד מורשתם העשירה של המונומנטים ומרקמי הבינוי המקומיים.
אדריכלות.
מבחינה אדריכלית הפנתאון מתאפיין בחדשנות תוך הקפדה על חיבור חזק למסורת הקלאסית. חדשנותו ביחס לתקופת בנייתו נבעה מהאופן שבו יצר סינתזה של מספר רעיונות אדריכליים קיימים:
הפנתאון עצמו מורכב משלושה חלקים: הפרונאוס, ה"בלוק המתווך" (Intermediate Block) והרוטונדה. כולם הופיעו בצורה כלשהי ובנפרד בטיפוסי בנייה רומיים שונים, אלא שהאופן שבו אלה חברו יחדיו בפנתאון, והקומפוזיציה הנפחית שהולידו, הביא ליצירתו של מבנה חדש, מקורי ומהפכני.
הפרונאוס ו"הבלוק המתווך".
כפי שנבנה על ידי אדריאנוס, הפרונאוס מורכב משורה קדמית של שמונה עמודים ומאחוריהם שמונה עמודים נוספים המחלקים את החלל לשלושה מעברים, המרכזי מביניהם רחב יותר ומוביל לדלת הכניסה לרוטונדה. עומקו של הפרונאוס הוא 15.62 מטר (53 רגל רומאי), מקו העמודים הקדמי ועד לקיר של הבלוק המתווך.
הפרונאוס מבוסס על טיפוס מבנה המקדש הרומי המסורתי עם השפעה ניכרת ממקדש מרס (Mars Ultor) ומקדש יופיטר הקפיטוליני ורוחבו הנמדד הוא 34.20 מטר (115 רגל רומאי), כמעט זהה כבמקדשים אלו. מאחורי הפרונאוס מתנשא הבלוק המתווך. כשמו, חלק זה מתווך בין חלל הפרונאוס לרוטונדה וכולל את הנישות שמשני צדי הכניסה לרוטונדה. מאחורי הנישות, נמצאים חדרי מדרגות המובילים לעליית הגג של הרוטונדה. הכניסה אליהן היא מהחזית הצפונית והדרומית, אך אינה פתוחה לציבור הרחב.
הפודיום.
כאשר נבנה הפנתאון, היה הפודיום שלו נמוך יחסית, רק 1.32 מטר בהשוואה למקדשים רומיים אחרים, כאשר שבע מדרגות גישרו בין מפלס הפורום הנמוך ביותר לנקודה הגבוהה ביותר. לצורך השוואה, הפודיום המקורי בפנתאון של אגריפה היה בגובה 2.45 מטר והובילו אליו 11 מדרגות. כיום מפלס הרחוב של פיאצה דלה רוטונדה (piazza della Rotonda) גבוה ממפלס הפורום המקורי, ולכן המבקר בפנתאון מקבל רושם מוטעה לגבי חזיתו הראשית והאופן שבו הוא מתייחס לחלל הציבורי שבקדמתו. במקור, המשיך הפודיום 4.6 מטר כמרפסת מעבר לקו העמודים וקצותיו מסגרו את מדרגות הכניסה משני צידיהן. יש להניח שמקומות אלו שימשו בעבר כבסיס לפסלים.
העמודים.
העמודים הקורינתיים בפרונאוס דומים לעמודי המקדש של מרס אם כי בניגוד לעמודים אלו, שהם בעלי טקסטורה מחורצת ובנויים בצורה של חלקים עצמאים המורכבים זה על גבי זה, עמודי הפרונאוס בפנתאון בנויים בצורה מונוליתית ובעלי טקסטורה חלקה. העמודים שבחזית בנויים מגרניט אפורה מהר קלאודניוס (Mons Claudianus), מחצבה רומאית במזרח מצרים, ושאר העמודים שמאחוריהם בנויים מגרניט אדומה ממחצבות אסואן, גם הן במצרים. הבסיסים וכותרות העמודים בנויים משיש לבן מהר פנטלי שביוון. לעמודים בסיס ריבועי (Plint) ומעליו שלושה טורי (Tori; טורוס ברבים), המעוצבים ביציקה. אורכם של העמודים, בין הכותרת לבסיס, הוא 11.8 מטר וגובהם הכולל הוא 14.2 מטר, יחס של 5:6, כפי שקיים במקדש מרס (Mars Ultor).
האנטבלטורה.
באנטבלטורה שבפרונאוס, הארכיטרב הוא בעל קומפוזיציה מסורתית של שלושה שלבים ומעליו אפריז חלק. כפי שהדבר היה אופייני במבנים בתקופה שלאחר אוגוסטוס, שני השלבים התחתונים של הארכיטרב שווים בגובהם לשלבו העליון. פרט זה נמצא בפרופורציות זהות במקדש מרס (Mars Ultor) אם כי כאן האנטבלטורה באופן כולל מקבלת ביטוי פחות מקושט, ללא פיתוחי דנטיל למשל. הקרניז העליון מעוטר בתבנית חזרתית בדוגמה המכונה egg and dart והקורונה (corona) שלו מעוטרת בדוגמה של פאנלים מרובעים שקועים ועיטורי פרחים (coffers and rosette). אדריכל הפנתאון בחר לייצר אשליה אופטית בעיצובם של הפאנלים השקועים, על ידי עיוות הפרחים והטיית צידם החיצוני של הפאנלים כלפי חוץ. מהלך זה מעניק לקרניז מראה דינמי יותר ודומה לטיפול בפן הפנימי של הכיפה ברוטונדה. בחירה עיצובית זו מלמדת על הבנת ההבדל שבין ממדיו האמיתיים של אובייקט לבין איך שהוא נתפס על ידי העין האנושית, טכניקה אשר שורשיה נטועים בעיצובם של מבנים יוונים כגון הפרתנון.
עיטור הגמלון.
על פני הגמלון ניתן לראות חירורים רבים, שהיו המקומות בהם חוזקו עיטורים לחזית הגמלון. משוער שהן הפנתאון הנוכחי והן גרסתו המוקדמת של אגריפה היו מעוטרים בדמותו של נשר גדול, עטוף בנזר של ענפי אלון. ענפי האלון מתייחסים להכתרתו של אוגוסטוס לקיסר על ידי הסנאט בשנת 27 לפני הספירה, אז שינה את שמו מאוקטוויאנוס וניתלה נזר של ענפי אלון על ביתו שבגבעת הפאלאטין. במטבעות מתקופתו של אוגוסטוס מופיעים לעיתים דמות נשר או זר עלי אלון, סמלים אשר היו בשימוש נפוץ מאוד במאה הראשונה והשנייה לספירה, על גבי מבנים ציבוריים, מטבעות וחפצים אחרים המשויכים לקיסרות.
תקרת הפרונאוס.
עניין חשוב נוסף הקשור בפרונאוס הוא התקרה שלו. בשנת 1620 ברניני והאפיפיור אורבנוס השמיני הורידו מן הפרונאוס את אלמנטי הברונזה מתקרתו, התיכו והשתמשו בהם, ייתכן לצורכי בניית חופה בבזיליקת פטרוס הקדוש או אולי כדי לייצר תותחים ותחמושת. כיום באתר, נראית תקרתו של הפרונאוס חשופה עם קורות עץ תחת רעפי חרס. תיעוד אדריכלי מתקופת הרנסאנס מרמז על כך שהקורות המקוריות היו מברונזה אולם היות שברונזה מאותה תקופה לא ניחנה ביכולת לשאת עומסים, יש לשער שקורות העץ היו למעשה מצופות באותה ברונזה שהוסרה. המעבר הראשי בפרונאוס בין העמודים הוא גבוה יותר משני המעברים המשניים שלצידו והיה בצורה של קמרון חבית. בשרטוטיו של אנדראה פלדיו, בטרם הוסרה הברונזה, ניתן לראות כי היה מערך של סמכים וקורות אשר מסגרו את הקמרון מעל המעבר הראשי ואילו מעל שני המעברים המשניים, הייתה תקרה ישרה אשר נסמכה על קורות פחות מסיביות.
תכנון אל מול ביצוע.