Lo que más sorprende de la arquitectura del Panteón son sus medidas: el edificio circular mide exactamente lo mismo de diámetro que de altura: 43,30 metros. La cúpula, con el mismo diámetro, es mayor que la de la Basílica de San Pedro. En el centro de la cúpula se abre un óculo de 8,92 metros de diámetro, que permite que la luz natural ilumine todo el edificio.

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La fachada rectangular, que oculta la enorme cúpula, está compuesta por 16 columnas de granito de 14 metros de altura, sobre las cuales se puede ver la inscripción "M.AGRIPPA.L.F.COS.TERTIVM.FECIT", que significa “Marco Agrippa, hijo de Lucio, cónsul por tercera vez, lo hizo".

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El Panteón de Agripa no solo es uno de los edificios más bellos y mejor conservados de Roma, sino también es una increíble obra de ingeniería, si tenemos en cuenta la época de su construcción. Tanto es así, que el mismo Miguel Ángel, al visitarlo por primera vez, dijo que  era "un diseño angélico y no humano".

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Es que, además de la precisión constructiva, todo en el Panteón tiene un significado simbólico, comenzando por el enorme oculus en el centro de la cúpula, una abertura de nueve metros de diámetro que deja entrar a pleno la luz del sol y dota al lugar de una atmósfera casi irreal.

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Las dimensiones y diseño del edificio responden a un cuidadoso cálculo matemático, relacionado con las proporciones cósmicas y las creencias religiosas de la época. La forma circular y la cúpula representan el globo celeste: la cúpula, una media esfera perfecta de 43,30 metros,  es la bóveda celeste, y los cinco niveles siguientes representan las cinco esferas celestes de los romanos.

La bóveda semiesférica era una característica  de la arquitectura romana de la época, que también se puede ver en algunos edificios de las Termas de Caracalla y Villa Adriana.