Mitologia clasică reprezintă miturile colective și structurile religioase ale erei elene și post-elenice. Aceasta cuprinde întreaga mitologie greacă și acoperă și tranziția la mitologia romană. Mitologia clasică, ca disciplină academică formală, este studiul zeilor greci și romani, împreună cu poveștile și povestirile populare ale eroilor care îndeplinesc fapte legendare. Poveștile încep cu mitul creației titanilor, care au fost progenitorii zeilor și zeițelor în politeismul grecesc. În general, miturile și narațiunile care cuprind mitologia clasică se ocupă de explicații supranaturale pentru evenimentele naturale.
Poeziile epice homerice sunt două dintre cele mai importante texte din mitologia clasică. Iliada și Odiseea tratează războiul troian și consecințele acestuia, amestecând poveștile soldaților și eroilor cu zeii și zeițele care l-au influențat. Iliada detaliază evenimentele războiului în care Ahile, căruia i s-a oferit să aleagă între o viață lungă, rodnică și anonimă și șansa de glorie veșnică prin moartea în luptă, o alege pe cea din urmă. Odiseea descrie călătoria către casă a lui Ulise după încheierea războiului troian. Multe elemente mitice sunt încorporate în poem, inclusiv vrăjitorie, uriași, zeități furioase și o călătorie în lumea interlopă.
Multe dintre miturile din cultura greacă antică folosesc zeii și zeițele pentru a explica sursa obiectelor, evenimentelor sau proceselor din lumea naturală. De exemplu, mitul Persefonei și Demeter explică ciclul anual al anotimpurilor, în special originea iernii. Hades, stăpânul lumii interlope, o răpește pe Persefona pentru mireasa lui. Demetra, zeița fertilității și a agriculturii, este supărată și oprește recoltele să crească. Se ajunge la un compromis în care Persefona petrece timpul dintre toamnă și primăvară în lumea interlopă, rezultând lunile sterile de iarnă.
Pe măsură ce Imperiul Grec a făcut loc Imperiului Roman, romanii și-au însușit multe dintre basmele și miturile populare grecești, transformându-le într-o mitologie clasică distinctă romană. Eneida lui Vergiliu este asemănătoare cu poemele epice ale lui Homer ca intriga și structură, cu excepția faptului că eroul, Enea, luptă pentru troieni, nu pentru ahei. Călătoria eroului implică stabilirea unei noi căminuri în Italia, care va înflori în Imperiul Roman. Mulți dintre zeii și zeițele panteonului roman au fost împrumutate de la omologii greci anteriori. De exemplu, Mercur s-a bazat pe Hermes, Venus pe Afrodita și Marte pe Ares.