Όσο σημαντικό ήταν το ιερό του Απόλλωνα στους Δελφούς για τη μητροπολιτική Ελλάδα, εξίσου ήταν το μεγάλο ιερό-μαντείο του Διδυμαίου Απόλλωνα για την περιοχή της Ιωνίας. Στην τελική του μορφή, το συγκρότημα αποτελούσε ένα από τα τρία μεγαλύτερα ιερά-μαντεία του ελληνικού κόσμου της εποχής.
Το ιερό και η τοποθεσία των Διδύμων ήταν προσιτά τόσο από τη θάλασσα όσο και από μια πομπική οδό που ξεκινούσε από τη Μίλητο, η οποία άλλωστε ήταν η προστάτιδα πόλη του μαντείου των Διδύμων.
Η ίδρυση του ιερού ανάγεται στην περίοδο μετά την ιωνική εγκατάσταση στην περιοχή και όχι πριν το 900 π.Χ. Το μαντείο και το ιερό αναφέρονται πρώτη φορά σε πηγές του 6ου αι. π.Χ., ενώ πριν από αυτό το διάστημα πιθανότατα το συγκρότημα αποτελούνταν από το βωμό και μια πηγή τα οποία περιέκλεισε τον 6ο αι. π.Χ. ο αρχαϊκός δίπτερος ναός. Μετά το 494 π.Χ., οπότε καταπνίγηκε η ιωνική στάση απέναντι στους Πέρσες, το ιερό λεηλατήθηκε και καταστράφηκε. Επαναλειτούργησε τον επόμενο αιώνα, οπότε σύμφωνα με τις πηγές, το 331 π.Χ. δόθηκε ένας από τους πρώτους χρησμούς στον Μ. Αλέξανδρο. Νέα οικοδομική φάση ξεκίνησε από το 300 π.Χ. με την υποστήριξη του Σελεύκου Α΄. Το πολυέξοδο αυτό εγχείρημα διήρκεσε πέντε περίπου αιώνες καθώς ακόμη και τον 2ο αι. μ.Χ., συνεχίζονταν οι εργασίες στον ναό ενώ τμήματά του δεν ολοκληρώθηκαν ποτέ.
Το ιερό εξακολουθούσε να λειτουργεί κατά τον 3ο και 4ο αι. μ.Χ. μέχρι και την περίοδο 390-400 μ.Χ., οπότε οι χριστιανοί της Μιλήτου μετέτρεψαν τμήματα του ναού σε βασιλική. Το μνημείο πέρασε διαδοχικά από τους Σελτζούκους, στις αρχές του 14ου αι., στους Οθωμανούς και στη συνέχεια εγκαταλείφθηκε.
Συστηματική αρχαιολογική έρευνα στο ιερό-μαντείο πραγματοποιήθηκε από το Γερμανικό Αρχαιολογικό Ινστιτούτο μετά τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο.