Τα έργα χαλκοπλαστικής των κλασικών χρόνων (5ος – 4ος αι. π.Χ.) δεν μπορούν να συναγωνιστούν σε ποσότητα εκείνα της αρχαϊκής περιόδου. Σε πολλά ιερά ο αριθμός των χάλκινων μικροτεχνημάτων μειώνεται και τη θέση τους παίρνουν έργα της μεγάλης πλαστικής, από τα οποία μόνο λίγα τμήματα έχουν σωθεί. Οι χαλκοπλάστες, όπως ο Μύρων, έχοντας κατακτήσει πλήρως την τεχνική της χύτευσης μεγάλων χάλκινων έργων, δημιουργούν αριστουργήματα. Η Συλλογή Έργων Μεταλλοτεχνίας διαθέτει πρωτότυπα και αξιοθαύμαστα χάλκινα αγάλματα του 5ου αι. π.Χ., όπως ο περίφημος Δίας ή Ποσειδώνας από τη θαλάσσια περιοχή πλησίον του ακρωτηρίου του Αρτεμίσιου (Χ 15061) και ο Ποσειδώνας από τη θαλάσσια περιοχή του κόλπου της Λιβαδόστρας στη Βοιωτία (Χ 11761).
Τα εργαστήρια χαλκοτεχνίας συνεχίζουν να παράγουν έργα προκειμένου να καλύψουν τις καθημερινές ανάγκες και τις προτιμήσεις των λατρευτών, όμως σταδιακά οι τοπικές τεχνοτροπικές παραδόσεις φθίνουν. Από τα μέσα του 5ου αι. π.Χ. κι εξής τα περισσότερα ειδώλια επαναλαμβάνουν πλέον τύπους της μεγάλης πλαστικής. Αγαλμάτια αθλητών και πεπλοφόρων απηχούν με τον καλύτερο τρόπο τη νέα εικόνα του ισορροπημένου και αιώνια ωραίου ανθρώπου. Τα ειδώλια θεών εντούτοις χαρακτηρίζονται από συντηρητισμό, καθώς η ύπαρξη λατρευτικών αγαλμάτων επηρεάζει τεχνοτροπικά τους τύπους τους.
Από το β’ μισό του 5ου αι. π.Χ. κι εξής ο Αργείος γλύπτης Πολύκλειτος ασκεί άμεσα και έμμεσα επίδραση σε όλες τις εκφάνσεις της τέχνης με την επιβολή κανόνων αναλογιών και πρότυπα στάσεων στις ανδρικές μορφές. Τον 4ο αι. π.Χ. σφραγίζουν με το έργο τους μεγάλοι καλλιτέχνες, όπως ο Πραξιτέλης, ο Σκόπας, ο Λύσιππος. Στο καλλιτεχνικό περιβάλλον αυτών δημιουργήθηκαν τα πρωτότυπα χάλκινα αγάλματα του 4ου αι. π.Χ. που ανήκουν στη Συλλογή Έργων Μεταλλοτεχνίας: το Παιδί του Μαραθώνα (Χ 15118), ο Έφηβος των Αντικυθήρων (Χ 13396) και η χάλκινη κεφαλή πυγμάχου από την Ολυμπία (Χ 6439), πιθανώς του Σάτυρου, έργο του χαλκοπλάστη Σιλανίωνα.
Τον 4ο αι. π.Χ. παρατηρείται περαιτέρω μείωση στην παραγωγή χάλκινων ειδωλίων, ωστόσο τα σωζόμενα έργα θεωρούνται εξαιρετικά και εξακολουθούν να επαναλαμβάνουν τύπους μεγάλης πλαστικής. Σημαντική θέση στην παραγωγή των κλασικών χρόνων καταλαμβάνουν οι υδρίες, μεγάλα σκεύη που χρησιμοποιούνται στις τελετουργίες, για μεταφορά υγρών, αλλά και ως τεφροδόχα ή έπαθλα σε αγώνες. Γενικά υπάρχει μεγάλη ζήτηση για αγγεία και σκεύη με εξέχον κέντρο παραγωγής τη Βόρεια Ελλάδα. Επίσης, την περίοδο αυτή εντυπωσιάζουν τα χάλκινα κάτοπτρα (καθρέπτες) σε ποικιλία τύπων και διακοσμητικών θεμάτων.