5ος αι. π.Χ.: η μεγάλη ακμή της Ολυμπίας
Η αλλαγή, που οδήγησε την Ολυμπία στην ύψιστη ακμή της και εδραίωσε τη φήμη της στη συνείδηση όλων, ξεκίνησε περίπου από την περίοδο των Περσικών πολέμων. Οι νίκες των Ελλήνων της κυρίως Ελλάδας κατά των Περσών στον Μαραθώνα (490 π.Χ.), στη Σαλαμίνα (480 π.Χ.), στις Πλαταιές (479 π.Χ.), αλλά και οι νίκες τους στη Δύση εναντίον των Καρχηδονίων στην Ιμέρα (480 π.Χ.) και κατά των Ετρούσκων στην Κύμη (474 π.Χ.), επέφεραν ευεργετικές αλλαγές στην συνείδηση των Ελλήνων. Τότε για πρώτη φορά αναπτύχθηκε ένα ισχυρό εθνικό αίσθημα, το οποίο πήγαζε από την ανάγκη για κοινό αγώνα ενάντια στον ύψιστο κίνδυνο, που απειλούσε τις ελληνικές πόλεις-κράτη και τον ελληνικό πολιτισμό.
Κεντρικό σύμβολο αυτού του αισθήματος αλληλεγγύης και σύμπραξης ήταν η Ολυμπία, και ενδεικτικό αυτού του γεγονότος ήταν τα πολλά αναθήματα των Ελλήνων στην Άλτη έπειτα από τις παραπάνω νίκες.
Ιδιαίτερης σημασίας ήταν η ολυμπιάδα του 476 π.Χ. (76η ολυμπιάδα), δηλαδή η πρώτη μεγάλη ολυμπιάδα μετά τα Περσικά, όταν ο κίνδυνος των Περσών είχε αποσοβηθεί και το ηθικό των Ελλήνων είχε τονωθεί. Τότε, εισήλθε στο στάδιο ο νικητής της Σαλαμίνας Θεμιστοκλής και όλοι οι θεατές τον επευφημούσαν με ζητωκραυγές και τον υποδέχονταν ως τον σωτήρα όλων των Ελλήνων. Σε εκείνη, μάλιστα, την ολυμπιάδα ελήφθησαν πολύ σημαντικές αποφάσεις, οι οποίες οδήγησαν στην αναδιοργάνωση των αγώνων, καθώς και σε μία γενικότερη αναμόρφωση του ιερού και του σταδίου. Τότε το κράτος των Ηλείων, το οποίο είχε αγροτικό χαρακτήρα, προκειμένου να ανταποκριθεί στο νέο του ρόλο, προχώρησε σε μια ριζική πολιτική αλλαγή.
Η καθιέρωση δημοκρατικού πολιτεύματος, το 472 π.Χ., καθώς και ο συνοικισμός του 471 π.Χ., με τον οποίο ενισχύθηκε πληθυσμιακά η Ήλιδα, οδήγησαν στην πλήρωση των προϋποθέσεων του κράτους των Ηλείων, για να συνεχίσει τη διοργάνωση των μεγάλων πια αγώνων.
Το 470-457 π.Χ. κτίστηκε στο νότιο τμήμα της Άλτεως ο μεγάλος ναός του Δία και διακοσμήθηκε με σπουδαία γλυπτά. Μέσα στο ναό ανατέθηκε το κολοσσιαίο χρυσελεφάντινο άγαλμα του Δία, έργο του Φειδία. Επίσης, στην ίδια εποχή χρονολογείται και το εργαστήριο του Φειδία, που κτίστηκε για την κατασκευή του αγάλματος.
Εκτός, όμως, από την κατασκευή του ναού του Δία, φαίνεται ότι η θεαματική αύξηση των θεατών κατά τον 5ο αι. π.Χ. επέφερε και την αναμόρφωση του σταδίου. Στο δεύτερο τέταρτο του 5ου αι. π.Χ., το στάδιο, διατηρώντας τον παλιό προσανατολισμό του, μετατοπίστηκε προς τα ανατολικά (12 μέτρα προς τα βόρεια και 75 μέτρα προς τα ανατολικά), έτσι ώστε να ανταποκριθεί στις ανάγκες του πλήθους των θεατών, αλλά ταυτόχρονα να μην περιορίσει τον λατρευτικό χώρο στα ανατολικά του βωμού του Δία. Τότε, διαμορφώθηκε ένα πιο επικλινές και εύχρηστο βόρειο πρανές, υψώθηκε το νότιο και εξασφαλίστηκε χώρος για τη δημιουργία του καινούργιου δυτικού πρανούς. Η μορφή αυτή του σταδίου (Στάδιο ΙΙΙ) διατηρήθηκε βασικά η ίδια ως το τέλος της ύστερης αρχαιότητας.
Κατά τη διάρκεια του Πελοποννησιακού πολέμου (431-404 π.X.), οι Hλείοι δεν ακολούθησαν σταθερή πολιτική, ενώ η διατάραξη των έως τότε φιλικών τους σχέσεων με τη Σπάρτη τους εξώθησε σε πολιτικές επιλογές, που πολλές φορές υπήρξαν επιβλαβείς για τα συμφέροντά τους. Το 401 π.X., οι Σπαρτιάτες υπό τον Άγι, εισέβαλαν στην Ηλεία, παραβιάζοντας την ιερότητά της, κατέστρεψαν, λεηλάτησαν, κατέκαψαν τη χώρα και κατέφεραν σοβαρότατο πλήγμα στους Ηλείους, οι οποίοι κατόρθωσαν, στο τέλος, να κρατήσουν μόνο την κυριαρχία του ιερού της Oλυμπίας.