Avec le rocher de Mutzig, le Donon est un des deux plus hauts sommets au Nord des Voges. Offrant un point de vue exceptionnel dans toutes les directions, il est occupé dès le Néolithique, sans doute plutôt comme un « refuge » temporaire que comme un habitat permanent, dès le IIIe millénaire av. J.-C.. Des haches et marteaux de pierre polie ont été découverts, notamment lors de travaux forestiers.

Dès le XIXe siècle, des trouvailles de matériel protohistorique avaient été faites : hache à talon et couteau de l'Âge du bronze, mais le contexte n'est pas bien connu. Au XXe siècle, des tessons (attribués à l'Âge du bronze) ont été découverts au sommet, ainsi que des meules plates de l'époque hallstattienne (ce qui démontre une occupation plus sédentaire), qui indiquent également une culture de céréales proche du Donon ou l'apport de grains provenant de zones de production peu éloignées.

Le Donon se trouve à la frontière de trois grands peuples celtes : au nord, celui des Médiomatriques, dont la capitale était Divodurum (Metz) ; à l'est, les Triboques, dont la capitale était Brocomagus (Brumath) ; au sud, les Leuques, dont la capitale était Tullum (Toul). Un lieu de culte y a été installé vraisemblablement dès la fin de la protohistoire mais c'est essentiellement du IIe siècle et IIIe siècle que date le sanctuaire gallo-romain ; l'essentiel du matériel (bâtiments, sculptures) date de cette époque et est exposé aujourd'hui au musée archéologique de Strasbourg.

Le sanctuaire comprenait quatre bâtiments de pierre et un en bois. Ce dernier, circulaire, était situé au voisinage d'un puits (ou citerne). Les bâtiments en dur étaient en relation avec le culte. Aux époques celtes puis gallo-romaines, deux divinités y furent honorées, Teutatès et Mercure, auquel le dieu celte a été assimilé par les Romains. Parmi les stèles retrouvées, on compte plusieurs Mercure avec le caducée et la bourse, mais une seule représente Teutatès, le dieu au cerf. Une inscription mentionne Mercurius Vogesus, assimilant ainsi Mercure au dieu celte chasseur Vogesus, qui a donné son nom au massif. Plusieurs inscriptions et dédicaces montrent que d'autres dieux recevaient un culte : Taranis, Hécate ou encore Jupiter. Une des statues les plus célèbres représente le dieu armé du foudre luttant contre un monstre anguipède, schéma iconographique fréquent dans le monde gallo-romain.

Alors que la région était en voie de christianisation, certaines populations du haut Moyen Âge poursuivaient les cultes païens (vénération de rochers, de source, travestissements des hommes et des femmes en cerfs et en biches, etc.), ce qui était combattu par les moines des nombreuses abbayes s'installant dans la région et ayant pour but l'évangélisation des populations régionales.