Klasična mitologija so kolektivni miti in verske strukture helenske in posthelenske dobe. To zajema celotno grško mitologijo in zajema tudi prehod v rimsko mitologijo. Klasična mitologija kot formalna akademska disciplina je preučevanje grških in rimskih bogov skupaj z zgodbami in ljudskimi pripovedkami o junakih, ki izvajajo legendarne podvige. Zgodbe se začnejo z mitom o stvarjenju Titanov, ki so bili predniki bogov in boginj v grškem politeizmu. Na splošno se miti in pripovedi, ki sestavljajo klasično mitologijo, ukvarjajo z nadnaravnimi razlagami naravnih pojavov.
Homerske epske pesmi so dve najpomembnejši besedili v klasični mitologiji. Iliada in Odiseja obravnavata trojansko vojno in njene posledice ter prepletata zgodbe vojakov in junakov z bogovi in boginjami, ki so vplivali nanjo. Iliada podrobno opisuje dogodke vojne, v kateri Ahil, ki mu je bila ponujena izbira med dolgim, plodnim in anonimnim življenjem ter možnostjo za večno slavo s smrtjo v bitki, izbere slednje. Odiseja opisuje Odisejevo pot domov po koncu trojanske vojne. Številni mitski elementi so vključeni v pesem, vključno s čarovništvom, velikani, jeznimi božanstvi in potovanjem v podzemlje.
Številni miti v starodavni grški kulturi uporabljajo bogove in boginje za razlago izvora predmetov, dogodkov ali procesov v naravnem svetu. Na primer, mit o Perzefoni in Demetri razlaga letni cikel letnih časov, zlasti izvor zime. Had, gospodar podzemlja, ugrabi Perzefono za svojo nevesto. Demeter, boginja rodovitnosti in kmetijstva, je jezna in ustavi rast pridelkov. Dosežen je kompromis, v katerem Perzefona preživi čas med jesenjo in pomladjo v podzemlju, kar ima za posledico neplodne mesece zime.
Ko se je grško cesarstvo umaknilo rimskemu, so si Rimljani prisvojili številne grške ljudske pripovedke in mite ter jih spremenili v izrazito rimsko klasično mitologijo. Vergilijeva Eneida je po zapletu in strukturi podobna Homerjevim epskim pesmim, le da se junak Enej bori za Trojance in ne za Ahejce. Junakovo potovanje vključuje ustanovitev novega doma v Italiji, ki bi razcvetel v Rimsko cesarstvo. Številni bogovi in boginje rimskega panteona so bili izposojeni od prejšnjih grških kolegov. Merkur je na primer temeljil na Hermesu, Venera na Afroditi in Mars na Aresu.