Ξεχωριστή θέση μεταξύ των κτηρίων του οικισμού καταλαμβάνει το ιερό που βρίσκεται πίσω ακριβώς από την κεντρική πύλη. Το ιερό είχε κατασκευαστεί το 18ο αιώνα πΧ, δηλαδή κατά τη Μεσοκυκλαδική εποχή. Πρόκειται για ένα ανεξάρτητο ορθογώνιο κτίσμα που αποτελείται από έξι εσωτερικούς χώρους. Η νοτιοδυτική πλευρά του είναι σήμερα κατεστραμμένη από τη θαλάσσια διάβρωση. Από το χώρο του ιερού προέρχεται ένα σύνολο από μεγάλου μεγέθους πήλινα ειδώλια και πολυτελή αντικείμενα, προφανώς αφιερώματα των λατρευτών.

Στο τέλος της Υστεροκυκλαδικής ΙΙ περιόδου (Αγία Ειρήνη VII) ο οικισμός καταστράφηκε από σεισμό, από τον οποίο όλα τα κτίρια ισοπεδώθηκαν. Οι μετέπειτα οικοδομικές δραστηριότητες περιορίστηκαν σε επισκευές των κατεστραμμένων κτηρίων. Στο ιερό κτίστηκαν νέες εξέδρες και επεκτάσεις, η απουσία όμως των ειδωλίων είναι μια ένδειξη ότι η λατρεία είχε πάρει ένα διαφορετικό χαρακτήρα.

Κατά τα μέσα της Υστεροκυκλαδικής ΙΙΙ, μέσα στο κλίμα της γενικότερης ανασφάλειας που επικρατούσε στο Αιγαίο, η οχύρωση της Αγίας Ειρήνης φάνηκε χρήσιμη. Στο διάστημα αυτό η γειτονική πηγή συνδέθηκε με την οχύρωση για να είναι ασφαλής ο ανεφοδιασμός του οικισμού σε νερό, ένα φαινόμενο που έχει παρατηρηθεί και στην ακρόπολη της Τίρυνθας.

Προς το τέλος της Ύστερης Χαλκοκρατίας, δηλαδή κατά το διάστημα της εξασθένησης της μυκηναϊκής ισχύος, έγιναν και στην Αγία Ειρήνη έντονα τα σημάδια της οικονομικής παρακμής. Τα αρχιτεκτονικά κατάλοιπα της περιόδου (VIII) είναι πολύ φτωχά και τα ευρήματα περιορίζονται σε κεραμική κακής ποιότητας. Η λειτουργία του ιερού περιορίστηκε σε ένα μικρό δωμάτιο, το οποίο κτίστηκε στη βορειοανατολική γωνία του παλαιότερου κτηρίου. Από αυτή την τελική περίοδο της χρήσης του δεν προέρχονται ειδώλια, θεωρείται όμως βέβαιο ότι η λειτουργία του ιερού συνεχίστηκε για ένα μικρό ακόμη διάστημα, ενώ στο χώρο του επισημαίνονται τελετουργικές δραστηριότητες που φθάνουν μέχρι την ελληνιστική εποχή.