Κατά την Ελληνιστική Περίοδο (3ος- 4ος αι. π.Χ.) σημαντική για την εξέλιξη του ιερού υπήρξε η συμβολή των ηγεμόνων των ελληνιστικών κρατών της Ανατολής, που στόχο είχε την προβολή και τη σύνδεσή τους με την μητροπολιτική Ελλάδα. Η παράδοση της ανέγερσης κτηρίων στο ιερό με σκοπό την πολιτική προπαγάνδα ξεκίνησε από πολύ παλαιότερα, ενώ ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα των ύστερων κλασικών χρόνων είναι το κυκλικό Φιλιππείο, ανάθημα του Φιλίππου Β΄ της Μακεδονίας (338 π.Χ.).

Το κτήριο αυτό, σκοπός του οποίου ήταν η προβολή του Φιλίππου ως του ηγεμόνα που κατόρθωσε να ενώσει τους Έλληνες, αποπερατώθηκε από γιο του Αλέξανδρο τον Μέγα. Τότε προστέθηκαν και τα χρυσελεφάντινα αγάλματα ολόκληρης της οικογένειας του Αλεξάνδρου.

Σημαντικό αφιέρωμα της Ελληνιστικής Περιόδου είναι η Παλαίστρα της Ολυμπίας, η οποία σχετίζεται πιθανότατα με τον Πτολεμαίο Β’. Το Γυμνάσιο που χρησίμευε επίσης για την προπόνηση των αθλητών, καθώς και διάφορα άλλα κοσμικά κτήρια, όπως λουτρά και ξενώνες, ιδρύονται την ίδια εποχή έξω από τον χώρο της Άλτεως

Η Παλαίστρα της Ολυμπίας προοριζόταν για την προπόνηση των αθλητών στην πυγμή, στην πάλη και στο άλμα. Ανεγέρθηκε τον 3ο αι. π.Χ. νότια του γυμνασίου και ανήκει στο ίδιο συγκρότημα με αυτό.

Στους Ρωμαϊκούς Χρόνους (1ος αι π.Χ. – 4ος αι. μ.Χ.) το ιερό γνώρισε νέα περίοδο ακμής, καθώς αντίστοιχη δράση ανέπτυξαν οι αυτοκράτορες. Χαρακτηριστική είναι η εγκαθίδρυση της αυτοκρατορικής λατρείας στο ανακαινισμένο Μητρώο. Κατά την περίοδο αυτήν κατασκευάζονται βαλανεία, ξενώνες και θέρμες και επισκευάζονται πολλά από τα παλαιότερα κτήρια. Στα μέσα του 2ου αι. π.Χ. τοποθετείται και η ανέγερση του μνημειακού Νυμφαίου με χρηματοδότηση του Ηρώδη του Αττικού

Από τον 3ο αι. μ.Χ. οι καταστροφικοί σεισμοί, η κατεδάφιση παλαιότερων κτηρίων για την κατασκευή οχυρωματικού τείχους γύρω από το ναό του Δία και οι πλημμύρες του Κλαδέου πλήττουν την ευημερία του ιερού. Η λειτουργία του συνεχίζεται ολόκληρο τον 4ο αι. ενώ οι τελευταίοι αγώνες οργανώνονται το 393 μ.Χ., καθώς λίγο μετά ο αυτοκράτωρ Θεοδόσιος Α’ απαγορεύει τη διεξαγωγή τους. Το τελικό πλήγμα δίνεται με το διάταγμα του Θεοδοσίου Β’ για την καταστροφή των ειδωλολατρικών ιερών (425 μ.Χ.) που οδηγεί στην εγκατάλειψη του χώρου και την σταδιακή κάλυψη του ιερού από επιχώσεις.