Klasiskā mitoloģija ir grieķu un pēchellēņu laikmeta kolektīvie mīti un reliģiskās struktūras. Tas aptver visu grieķu mitoloģiju un aptver arī pāreju uz romiešu mitoloģiju. Klasiskā mitoloģija kā formāla akadēmiska disciplīna ir grieķu un romiešu dievu izpēte, kā arī stāsti un pasakas par varoņiem, kuri veic leģendārus varoņdarbus. Stāsti sākas ar radīšanas mītu par titāniem, kuri grieķu politeismā bija dievu un dieviešu priekšteči. Parasti mīti un stāsti, kas ietver klasisko mitoloģiju, attiecas uz dabas notikumu pārdabiskiem skaidrojumiem.
Homēra episkie dzejoļi ir divi no svarīgākajiem tekstiem klasiskajā mitoloģijā. Iliāda un Odiseja attiecas uz Trojas karu un tā sekām, sajaucot stāstus par karavīriem un varoņiem ar dieviem un dievietēm, kas to ietekmēja. Iliāda sīki apraksta kara notikumus, kuros Ahillejs, kuram tika piedāvāta izvēle starp ilgu, auglīgu un anonīmu dzīvi un iespēju iegūt mūžīgu slavu ar nāvi kaujā, izvēlas pēdējo. Odiseja apraksta Odiseja mājupceļu pēc Trojas kara beigām. Dzejolī ir iekļauti daudzi mītiski elementi, tostarp burvestības, milži, dusmīgas dievības un ceļojums uz pazemi.
Daudzi mīti sengrieķu kultūrā izmanto dievus un dievietes, lai izskaidrotu objektu, notikumu vai procesu avotus dabiskajā pasaulē. Piemēram, Persefones un Dēmetras mīts izskaidro gadalaiku ciklu, īpaši ziemas izcelsmi. Hadess, pazemes kungs, nolaupa Persefoni savai līgavai. Dēmetra, auglības un lauksaimniecības dieviete, ir dusmīga un pārtrauc labības augšanu. Tiek panākts kompromiss, kurā Persefone pavada laiku no rudens līdz pavasarim pazemes pasaulē, kā rezultātā ziemas mēneši ir neauglīgi.
Kad Grieķijas impērija padevās Romas impērijai, romieši piesavinājās daudzas grieķu tautas pasakas un mītus, pārvēršot tos par izteikti romiešu klasisko mitoloģiju. Vergilija Eneida pēc sižeta un struktūras ir līdzīga Homēra episkajiem dzejoļiem, izņemot to, ka varonis Enejs cīnās par Trojas zirgiem, nevis ahejiem. Varoņa ceļojums ietver jaunas mājas dibināšanu Itālijā, kas uzziedētu Romas impērijā. Daudzi romiešu panteona dievi un dievietes tika aizgūti no agrākajiem grieķu kolēģiem. Piemēram, Merkūrs balstījās uz Hermesu, Venēra uz Afrodītes un Marss uz Ares.