Klassisk mytologi är de kollektiva myterna och religiösa strukturerna från den grekiska och post-hellenska eran. Detta omfattar hela den grekiska mytologin och täcker också övergången till romersk mytologi. Klassisk mytologi som en formell akademisk disciplin är studiet av de grekiska och romerska gudarna tillsammans med berättelser och folksagor om hjältar som utför legendariska bedrifter. Berättelserna börjar med skapelsemyten om titanerna, som var stamfader till gudarna och gudinnorna i den grekiska polyteismen. I allmänhet handlar de myter och berättelser som utgör klassisk mytologi med övernaturliga förklaringar till naturliga händelser.
De homeriska episka dikterna är två av de viktigaste texterna i klassisk mytologi. Iliaden och Odysséen handlar om det trojanska kriget och dess efterdyningar, och blandar berättelserna om soldater och hjältar med gudarna och gudinnorna som påverkade det. Iliaden beskriver händelserna i kriget där Akilles, som har erbjudits ett val mellan ett långt, fruktbart och anonymt liv och chansen till evig ära genom döden i strid, väljer det senare. Odysséen beskriver Odysseus hemresa efter det trojanska krigets slut. Många mytiska element är inkorporerade i dikten, inklusive häxkonst, jättar, arga gudar och en resa till underjorden.
Många av myterna i den antika grekiska kulturen använder gudarna och gudinnorna för att förklara källan till föremål, händelser eller processer i den naturliga världen. Till exempel förklarar myten om Persefone och Demeter årstidernas årliga cykel, särskilt vinterns ursprung. Hades, underjordens herre, kidnappar Persephone för sin brud. Demeter, fruktbarhetens och jordbrukets gudinna, är arg och stoppar grödorna från att växa. En kompromiss uppnås där Persephone tillbringar tiden mellan höst och vår i underjorden, vilket resulterar i de infertila vintermånaderna.
När det grekiska imperiet gav vika för det romerska imperiet, tillägnade sig romarna många av de grekiska folksagorna och myterna och förvandlade dem till en distinkt romersk klassisk mytologi. Virgils Aeneid liknar Homers episka dikter i handling och struktur, förutom att hjälten, Aeneas, kämpar för trojanerna, inte akaerna. Hjältens resa innebär att etablera ett nytt hem i Italien som skulle blomma ut i Romarriket. Många av det romerska panteonets gudar och gudinnor lånades från tidigare grekiska motsvarigheter. Till exempel var Merkurius baserad på Hermes, Venus på Afrodite och Mars på Ares.