Didyma nie była miastem, tylko sanktuarium Apollina należącym do Miletu, ok. 16 km od niego w linii prostej. Z miastem łączyła je Święta Droga długości ok. 20 km, zbudowana w VI w. p.n.e., którą szły procesje na święto boga. Kult jest starszy, niż przyznawały źródła, ale i tak bardzo dawny: archeolodzy datują pierwsze ślady na koniec VIII lub początek VII w. p.n.e., a pierwszą budowlę dla Apollina na ok. 700 r. p.n.e. Wyrocznią opiekował się ród Branchidów, wywodzący się od Branchosa, pasterza, którego według mitu pokochał Apollo i obdarzył darem wieszczenia. W połowie VI w. p.n.e. stanęła tu wielka świątynia otoczona podwójnym rzędem kolumn, a o radę pytali królowie z daleka: Herodot wspomina, że Krezus z Lidii wysłał posłów także do Branchidów, a faraon Necho złożył tu po zwycięstwie zbroję, w której walczył. Posągi siedzących dostojników i lwy ze Świętej Drogi wywiózł w XIX w. Charles Newton do British Museum.

W 494 r. p.n.e., po klęsce powstania jońskiego pod Lade, Persowie złupili i spalili sanktuarium. Herodot przytacza wyrocznię delficką, która to przepowiedziała: o świątynię w Didymie mieli odtąd „troszczyć się inni”. Brązowy posąg Apollina, przypisywany rzeźbiarzowi Kanachosowi z Sykionu, zabrano do Ekbatany w Persji, a wyrocznia zamilkła na półtora wieku. Odżyła z Aleksandrem Wielkim: kronikarz Kallistenes zapisał, że gdy Aleksander był w Egipcie w 331 r. p.n.e., w Didymie znowu popłynęło święte źródło, i że wyrocznia ogłosiła go synem Zeusa. Seleukos I, jeden z wodzów Aleksandra, odesłał ok. 300 r. p.n.e. posąg boga z Persji z powrotem.

Po 334 r. p.n.e. zaczęto budować nową świątynię, jedną z największych w świecie greckim. Witruwiusz podaje imiona architektów: Pajonios z Efezu i Dafnis z Miletu. Podstawa na siedmiu stopniach ma ok. 60 na 120 m, a podwójny rząd kolumn jońskich, 10 na krótszych i 21 na dłuższych bokach, wznosił się na 19,70 m. Najdziwniejsze jest wnętrze. Główne drzwi mają próg na wysokości 1,5 m, nie do przejścia; z tego okna kapłani ogłaszali podobno odpowiedzi boga [do sprawdzenia]. Do środka schodzi się dwoma pochyłymi tunelami do sekosu, czyli otwartego dziedzińca o ścianach wysokich na ok. 25 m. Na jego dnie stała mała świątyńka (naiskos) z posągiem boga, rosło święte drzewo laurowe i biło źródło. Na nieoszlifowanych ścianach dziedzińca Lothar Haselberger odkrył w 1979 r. wydrapane rysunki: plany, w dużej części w naturalnej wielkości, według których kamieniarze ciosali elementy budowli, m.in. szczyt naiskosu i profil kolumn. W 2012 r. część z nich powiązano z inną świątynią, Artemidy. Świątyni Apollina nigdy nie dokończono: budowano ją ponad 600 lat, nie dostała szczytów, ściany zostały nieoszlifowane, a obok widać elementy na każdym etapie obróbki, od surowego bloku po gotową bazę kolumny. Badacze nazywają ją z tego powodu podręcznikiem starożytnego budownictwa.

W czasach rzymskich próbował ją dokończyć Kaligula, a Hadrian, który odwiedził Didymę w 129 r., przyjął tu tytuł proroka, najwyższą godność sanktuarium. Igrzyska Didymejskie należały do wielkich świąt świata greckiego. Wyrocznia odegrała też ponurą rolę w dziejach chrześcijaństwa: według Laktancjusza w 303 r. cesarz Dioklecjan, zanim rozpoczął wielkie prześladowanie chrześcijan, wysłał posła z pytaniem do „Apollina w Milecie” i otrzymał odpowiedź wrogą nowej religii. Pod koniec IV w., za Teodozjusza, świątynie zamknięto, a w sekosie zbudowano kościół. Trzęsienie ziemi w 1493 r. powaliło kolumny, a ich bębny rozsypały się wokół jak przewrócone wieże z klocków. Bizantyjska i późniejsza wieś nosiła nazwę Hieronda, potem Yoran; dziś sanktuarium stoi w środku kurortu Didim, otoczone domami. Wykopaliska prowadzili Francuzi w 1895 r., Niemcy w latach 1905–1913 i ponownie od 1962 r.