万神殿和斗兽场同为古罗马时期的建筑，但它仍然保存得相当完整。虽然从外表上看除了大之外并无太多的亮点，但它却是古罗马建筑史上最为杰出的作品。万神殿的主体呈圆柱形，正面的门廊采用了希腊式的柱廊和山墙结构。圆柱型覆盖着一个跨度为43.3米的穹顶，而穹顶的最高点同样为43.3米，这意味着整个万神殿可以容纳一个直径为43.3米的完整球体。
万神殿是罗马最为重要的景点之一。里头埋葬了不少历史名人，其中就包括文艺复兴三杰之一的拉斐尔。而穹顶上的圆洞则被小说中的萝卜教授误以为是魔鬼之窟，结果白白跑了一趟。随后，萝卜教授在万神殿中“顿悟”出桑蒂的土冢实际上指的不是拉斐尔的坟墓，而是由拉斐尔设计的坟墓。这一段解释实在有些牵强，估计是丹布朗同学拿了意大利旅游局的好处，瞎掰了这么一段剧情，好多写几个景点进来，顺便促进一下罗马旅游业的发展吧。
穹顶的顶部有一个直径8.9米的圆形大洞，用于采光，这也是整个万神庙唯一的采光点。当太阳光从穹顶的顶部照射下来，会在相对阴暗的大堂内形成一条鲜明的光柱，给人一种神圣而庄严的感觉。下雨的时候，雨水会直接透过洞口直泻而下，然后经由地面的下水口排出，形成一道如瀑布般壮观的奇景。
整个穹顶都由混凝土浇筑而成。但那个时代没有钢筋，在如此大的跨度上，如果仅靠混凝土的张力作为支撑，很难抵抗其自身产生的重力。因此古罗马人采用了轻量化的做法。在浇筑穹顶的时候，底层使用了较重的材料，而越往上则开始惨入了较轻的浮石和多孔的火山岩以减轻其自重。此外穹顶外壳的厚度也逐渐变薄，从基座的5.9米一直减少到顶部的1.5米。布鲁内莱斯基设计圣母百花大教堂穹顶的灵感便是源自于这里。
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