Si narra che il culto di Diana a Nemi fosse stato istituito da Oreste il quale, dopo aver ucciso Toante re del Chersoneso Taurico (Crimea), si rifugiò in Italia con sua sorella, portando con sè il simulacro della Diana Taurica nascosto in una fascina di legna. Quando Oreste morì, le sue ossa furono trasportate da Aricia a Roma e sepolte davanti al tempio di Saturno, sul colle Capitolino, accanto al tempio della Concordia. Il cruento rituale che la legenda attribuiva alla Diana Taurica è ben noto a chiunque legga i classici: si dice che ogni straniero che approdasse a quelle sponde venisse immolato sull'altare della dèa. Ma, trasportato in Italia, il rito assunse una forma meno sanguinaria. All'interno del suo santuario di Nemi cresceva un albero di cui era proibito spezzare i rami. Solo ad uno schiavo fuggitivo erra concesso di cogliere una delle sue fronde. Se riusciva nell'impresa, acquisiva il diritto di battersi col sacerdote e, se lo uccideva, di regnare in sua vece col titolo di Rex Nemorensis. Stando a quanto dicevano gli antichi, la fronda fatale era quel Ramo d'Oro che per ordine della Sibilla enea colse prima di affrontare il periglioso viaggio nel mondo dei morti.

Nascosto in un albero folto è un ramo che ha foglie
d'oro e il gamboflessibile, sacro a Proserpina;
tutta la selva lo copre e fitte ombre lo cingono
di convalli. A nessuno è dato di entrare nei regni
segreti se prima non svelle quell'aureo germoglio.
La bella Proserpina vuole che a lei si riserbi
questo tributo: al primo staccato non manca il secondo
d'oro anch'esso, e il ramo di foglie d'oro si veste.
Dunque ben addentro osserva con gli occhi e trovatolo,
come il rito prescrive, staccalo con la tua mano;
quello da sè docilmente verrà alla tua mano
se il fato ti elegge, altrimenti non forza di giova
a piegarlo, nè duro ferro a strapparlo.
(Eneide, libroVI, vv. 156-168)

La fuga dello schiavo doveva rappresentare la fuga di Oreste; il suo combattimento col sacerdote adombrava il ricordo dei sacrifici umani offerti alla Diana Taurica. La norma che prescriveva di ottenere la successione con la spada rimase in vigore fino all'età imperiale: fra le altre sue stramberie, infatti, Caligola, ritenendo che il sacerdote di Nemi fosse rimasto troppo a lungo in carica, assoldò uno sgherro gagliardo e risoluto per ucciderlo; ed un viaggiatore greco che visitò l'Italia al tempo degli Antonini, riferisce che il sacerdozio veniva ancora conferito come premio al vincitore di un duello.
Non è difficile ricostruire gli aspetti fondamentali del culto di Diana Nemorensis: Dalle offerte votive ritrovate, è chiaro che la dèa era vista come cacciatrice e come colei che concedeva prole agli umani ed un parto facile alle madri. Altro elemento preponderante del suo rito era il fuoco. Infatti, durante la festa annuale che si celebrava il 13 agosto, il boschetto era illuminato da una miriade di torce il cui bagliore si rifletteva nelle acque del lago; ed in tuto il territorio italico ogni famiglia celebrava quel rito. Inoltre, l'appellativo di Vesta conferito alla Diana di Nemi, indica chiaramente la esistenza di un fuoco perennemente acceso nel santuario. All'angolo nord-orientale del tempio, un ampio basamento circolare poggiato su tre gradini e recante ancora tracce di un pavimento a mosaico, probabilmente sorreggeva un tempio, anch'esso circolare, dedicato a Diana nella sua accezione di Vesta, del tutto simile a quello sito nel Foro Romano. Sembra che anche qui il fuoco sacro fosse custodito da vergini vestali: sul luogo, infatti, è stata ritrovata la testa in terracotta di una vestale e pare che dai tempi più antichi fino ai più recenti, il culto di un fuoco perenne accudito da fanciulle sacre fosse diffuso in tutto il Lazio.

Ma Diana non era l'unica divinità del bosco di Nemi: il santuario era condiviso da altre due divinità minori. Una di queste era Egeria. la ninfa della limpida acqua che, sgorgando dalla roccia, ricadeva nel lago in graziose cascate in una località chiamata Le Mole. Si riteneva che anche Egeria potesse concedere un parto facile alle partorienti. Narra la tradizione che il mitico re Numa si congiungesse a lei nel segreto del bosco sacro e che proprio la ninfa gli avesse ispirato le leggi che diede a Roma. Fuori Porta Capena, a Roma, in un boschetto, c'era un'altra fonte dedicata ad Egeria. Si può supporre che i primi coloni, scendendo da i Colli Albani al Tevere, avessero portato con sè la ninfa, le cui acque ancora oggi sembrano avere qualità terapeutiche.
L'altra divinità minore era Virbio. Narra la legenda che Virbio era Ippolito, il giovane eroe greco, casto e bello, il quale aveva appreso l'arte venatoria dal centauro Chirone e trascorreva la vita nei boschi a caccia di belve, avendo come unica compagna la vergine cacciatrice Artemide. Fiero di quella divina compagna, egli disdegnava le donne e questa fu la sua rovina. Afrodite, offesa dalla sua indifferenza, fece innamorare di lui la matrigna Fedra; e quando Ippolito respinse le turpi offerte della donna, lei lo accusò falsamente presso il padre Teseo, il quale credette alle menzogne di Fedra. Teseo si rivolse allora al proprio padre Poseidone perchè vendicasse l'immaginario affronto. Mentre Ippolito guidava il suo carro lungo le rive del golfo Saronico, il dio del mare gli mandò contro un toro feroce scaturito dalle onde. I cavalli, terrorizzati, si impennarono scaraventando Ippolito giù dal carro e lo trascinarono nel loro galoppo uccidendolo. Ma Diana, che amava il giovane, convinse il mdico Esculapio a riportare in vita con le sue erbe medicamentose Ippolito. Giove punirà poi Esculapio scaraventandoo nell'Ade. Allora Diana nascose il giovane in una densa nube per sottrarlo all'ira del dio, poi lo portò dalla ninfa Egeria perchè vivesse, sconosciuto e solitario, nei boschi di Nemi sotto il nome di Virbio. Qui regnò come sovrano e dedicò un sacro recinto a Diana. Virbio era venerato non solo a Nemi: si hanno notizie che in Campania esisteva un sacerdote speciale, dedicato al suo servizio.