В 480 г. город был разграблен войском персидского царя Ксеркса I, но в том же году греческий флот по инициативе афинян во главе с Фемистоклом разбил персидский флот при острове Саламин, а в 479 г. сухопутное войско персов было разгромлено при Платеях. Фемистокл был инициатором создания Делосского союза (или первого Афинского морского союза, или Афинской Архэ) греческих государств против Персии в V в. до н.э. Это было время наивысшего культурного расцвета Афин, получившее название «золотой век Перикла». После окончания греко-персидских войн в городе велось интенсивное строительство. Был создан новый ансамбль Акрополя под руководством архитектора и скульптора Фидия. В 447–438 гг. зодчими Иктином и Калликратом возводится Парфенон – храм в честь богини Афины. По системе Гипподама после 446 г. Пирей был перестроен и соединён так называемыми длинными стенами с городскими укреплениями. В город съезжались учёные, художники, поэты и философы со всей Греции. Здесь получила развитие и достигла наивысшего расцвета древнегреческая драма (трагики Эсхил, Софокл, Еврипид и «отец комедии» Аристофан). В Афинах создал своё произведение «отец истории» Геродот. Политическому и судебному красноречию афинян подражали ораторы других греческих городов. К концу V в. до н.э. аттический диалект стал литературным языком Греции. С IV в. до н.э. на основе, главным образом, аттического диалекта классического периода, а также ионийского диалекта формируется общегреческий язык койне в литературной и разговорной формах (язык Cептуагинты и Нового Завета). В 403 г. до н.э. в Афинах официально был введён ионийский алфавит (восточная система греческого алфавита), который был принят в качестве общегреческого алфавита. На IV в. до н.э. приходится расцвет политической и философской мысли в Афинах, где сформировались три философские школы: Платоновская Академия (около 385 г. до н.э.), Ликей (Лицей) Аристотеля (335 г. до н.э.) и школа стоиков (основана около 300 г. до н.э. Зеноном). Соперничество Афин со Спартой за влияние в греческом мире привело к Пелопоннесской войне 431–404 гг. до н.э., в которой Афины потерпели поражение. Однако уже в начале IV в. до н.э. полис смог частично восстановить своё могущество: удалось восстановить флот и укрепления вокруг города, срытые по условиям капитуляции 404 г., ненадолго был возрождён Афинский морской союз. В середине IV в. Афины выступали главным противником экспансии Македонского царства в Греции (вождём антимакедонской партии был афинский оратор Демосфен), однако в 338 г. коалиция греческих полисов во главе с Афинами потерпела поражение от македонского царя Филиппа II при Херонее. Борьба за независимость Афин от Македонии продолжалась с переменным успехом до конца III в. до н.э. С 200 г. в эллинистическом мире Афины выступали на стороне Рима, причём равноправный союз постепенно сменился зависимостью полиса от Римской республики. Под влиянием Рима государственное устройство Афин возвратилось к олигархическому типу, возросло влияние ареопага. С 146 г. до н.э., разделив участь всей Греции, Афины подпали под власть Рима, но пользовались статусом города-союзника (civitas foederata), утратив свободу во внешней политике.