Τον 5ο αι. π.Χ. στην Αθήνα έχει ήδη εγκαθιδρυθεί η δημοκρατία (από τον Κλεισθένη, το 508 π.Χ.) και οι Έλληνες αντιμετωπίζουν την εισβολή στρατευμάτων της τότε υπερδύναμης, των Περσών. Η νικηφόρα αντιπαράθεση στις μάχες του Μαραθώνα και των Πλαταιών, καθώς και στη ναυμαχία της Σαλαμίνας, οδηγεί σε μια εποχή πνευματικής δημιουργίας, υλικής ευημερίας και δημοκρατικής εδραίωσης υπό την ηγεσία του Περικλή. Η Αθήνα γίνεται κέντρο στο οποίο συρρέουν, μεταξύ άλλων καλλιτεχνών, γλύπτες από άλλες περιοχές, οι οποίοι συντελούν στην κόσμηση των οικοδομημάτων και των μνημείων της πόλης με γλυπτά υψηλής τέχνης και πρωτοτυπίας.

Στην αρχή της εποχής αυτής η γλυπτική κατακτά την τρίτη διάσταση. Από τα σπάνια σωζόμενα χάλκινα έργα είναι ο Δίας ή Ποσειδώνας που βρέθηκε στο βυθό κοντά στο ακρωτήριο Αρτεμίσιο της Εύβοιας και κρατούσε κάποτε τον κεραυνό του Δία ή την τρίαινα του Ποσειδώνα (αρ. Χ 15161, αίθουσα 15).

Στην κορύφωση του 5ου αιώνα π.Χ., σπουδαίοι γλύπτες εμπνέονται από το ανθρώπινο σώμα αποδίδοντάς του ιδεαλιστική (εξιδανικευμένη) ομορφιά και πνευματικό περιεχόμενο. Στην Ελευσίνα βρέθηκε το μεγάλο ανάγλυφο που απεικονίζει τις τρεις κεντρικές μορφές της μυστηριακής λατρείας στο ελευσινιακό ιερό: τη Δήμητρα, την Περσεφόνη και το νεαρό ήρωα Τριπτόλεμο (αρ. 126, αίθουσα 15). Δίπλα στο ανάγλυφο και ο πήλινος πίνακας που αφιέρωσε στο ίδιο ιερό μια πιστή με το όνομα (το) Νίννιον (αρ. Α 11036, αίθουσα 15). Από το άγαλμα της θεάς Νέμεσης, που λατρευόταν στο Ραμνούντα και είχε φιλοτεχνηθεί από το γλύπτη Αγοράκριτο, σώζεται ένα ρωμαϊκό αντίγραφο (αρ. 3949, αίθουσα 19). Έργο του δασκάλου του, του αθηναίου Φειδία, ήταν το χρυσελεφάντινο άγαλμα (από ελεφαντόδοντο και χρυσό), της Αθηνάς Παρθένου στην Ακρόπολη της Αθήνας. Από εκείνο το τεράστιο έργο, ύψους 12 μέτρων, σώζεται μια μικρή απόδοση ρωμαϊκών χρόνων σε μάρμαρο (αρ. 129, αίθουσα 20). Υστεροελληνιστικό αντίγραφο χάλκινου έργου του Πολυκλείτου από το Άργος είναι ο μαρμάρινος διαδούμενος από τη Δήλο, ο αθλητής που δένει στο μέτωπό του την ταινία της νίκης και ήταν κάποτε επίχρυσος (αρ. 1826, αίθουσα 21).

Ακολουθεί μια δύσκολη εποχή, αυτή του Πελοποννησιακού Πολέμου (431-404 π.Χ.), εμφύλιας σύρραξης μεταξύ Αθηνών και Σπάρτης. Για τους νεκρούς του πολέμου και του λοιμού (μολυσματικής επιδημίας) που εκδηλώθηκε στην αρχή του, επιτρέπονται και πάλι στην Αθήνα τα μαρμάρινα μνημεία, που είχαν παλαιότερα απαγορευτεί διά νόμου για λόγους πολιτικούς και οικονομικούς. Συχνά αυτά είναι μεγάλα μαρμάρινα αγγεία με ειδικό συμβολισμό (αίθουσα 16), ή απλές στήλες, όπως αυτή με έναν νέο που κρατά το πουλί που έβγαλε από κλουβί, ίσως σε συμβολική κίνηση απελευθέρωσης της ψυχής από το νεκρό του σώμα (αρ. 715, αίθουσα 16). Άλλοτε, έχουν όψη μικρού ναού, μέσα στον οποίο απεικονίζεται ο νεκρός, όπως αυτό της Ηγησούς από τον Κεραμεικό, καθιστής μπροστά στη λυπημένη δούλη της (αρ. 738, αίθουσα 18).

Με το τέλος του πολέμου, στον ελληνικό χώρο αναδεικνύεται η σπαρτιατική ηγεμονία, αλλά λίγο αργότερα η Αθήνα και η Θήβα ανακτούν δυνάμεις, έως ότου, κατά τον 4ο αιώνα π.Χ., η πανελλήνια ηγεμονία διεκδικείται επιτυχώς από τους Μακεδόνες βασιλείς Φίλιππο Β΄ και Αλέξανδρο Γ΄. Αναπτύσσονται μεγάλα ελληνικά αστικά κέντρα, ενώ στη γλυπτική δημιουργούνται, ήδη πριν το τέλος του πολέμου, τοπικές σχολές που εκπροσωπούνται από σημαντικούς γλύπτες. Η γλυπτική εμπνέεται από την πλούσια κίνηση των πτυχώσεων που ακολουθούν την κίνηση του σώματος, όπως στις γυναικείες μορφές του πελοποννήσιου γλύπτη Τιμοθέου για το ναό του Ασκληπιού στην Επίδαυρο (αίθουσα 22). Ο Σκόπας από την Πάρο αναλαμβάνει την κατασκευή του ναού της Αλέας Αθηνάς στην Τεγέα της Αρκαδίας (αίθουσα 28). Ο Πραξιτέλης, γιος του αθηναίου γλύπτη Κηφισοδότου, δημιουργεί γυμνά, αισθησιακά έργα και στη σχολή του αποδίδεται ο μπρούντζινος έφηβος, που ανασύρθηκε από τη θάλασσα του Μαραθώνα (αρ. Χ 15118, αίθουσα 28). Στη συνέχεια της παράδοσης που δημιούργησε η σχολή του Πολυκλείτου ανήκει ο μπρούντζινος έφηβος, που ανασύρθηκε από τη θάλασσα των Αντικυθήρων (αρ. Χ 13396, αίθουσα 28). Ο Λύσιππος είχε δημιουργήσει τον Ηρακλή που στηρίζεται στο ρόπαλό του, αντίγραφο του οποίου είναι ο, μεγαλύτερος του φυσικού μεγέθους, Ηρακλής που βρέθηκε στο ναυάγιο των Αντικυθήρων και εκτίθεται σήμερα στο αίθριο. Ξαφνιάζει με τη σκούρα του όψη, λόγω των ρύπων και της διάβρωσης από το θαλασσινό νερό, και είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πως είναι φτιαγμένος από φωτεινό παριανό μάρμαρο.

Σε μεγάλη ποικιλία κατασκευάζονται κατά την κλασική εποχή και ανάγλυφα, τα οποία ενσωματώνουν και κείμενα των ψηφισμάτων της πόλης των Αθηνών (αίθουσα 25), ή έχουν τη μορφή σπηλαίου (αίθουσα 25) ή ανθρώπινου μέλους (αίθουσα 26, προθήκη).