Από την Πρώιμη Εποχή του Χαλκού ή Πρώιμη Ελλαδική περίοδο (3000-2000) ελάχιστα είναι τα ευρήματα από την Αρχαία Αγορά, κυρίως όστρακα αγγείων. Αντίθετα, ο χώρος αναπτύσσεται ιδιαίτερα κατά τη δεύτερη χιλιετία, στη Μέση (2000-1600) και την Ύστερη (1600-1100) Ελλαδική περίοδο.
Κατά τη Μέση Ελλαδική περίοδο, η ανθρώπινη παρουσία εντοπίζεται σε πέντε πηγάδια της περιόδου, που τοποθετούνται στη ΒΔ άκρη της Ακρόπολης, διάσπαρτα μεταξύ των πολυάριθμων νεολιθικών. Στο χώρο της Αγοράς έχουν βρεθεί διάσπαρτα αρκετά όστρακα αγγείων του λεγόμενου γκρίζου μινυακού ρυθμού (τεφρά αγγεία με σαπωνοειδή επιφάνεια κατασκευασμένα στον κεραμικό τροχό), αλλά και του αμαυρόχρωμου ρυθμού, διακοσμημένα με απλά γεωμετρικά σχέδια. Απουσιάζουν πάντως ίχνη οικοδομημάτων ή ταφές.
Ιδιαίτερα ακμάζει η Αγορά κατά την Ύστερη Ελλαδική περίοδο (1600-1100). Πρόκειται για το διάστημα κατά το οποίο ανθεί στην Αθήνα ο μυκηναϊκός πολιτισμός. Εκείνη την περίοδο η Αγορά της Αθήνας λειτουργεί και ως νεκροταφείο, αλλά και ως οικιστικός χώρος. Το διοικητικό κέντρο της πόλης βρίσκεται στην Ακρόπολη, ενώ ο οικισμός εκτείνεται κατά κύριο λόγο σε αυτήν και σε μια ζώνη νοτίως του βράχου, μια περιοχή όπου φυσικές πηγές παρείχαν στους κατοίκους τις απαραίτητες προμήθειες σε νερό.
Σύμφωνα με τη μυθολογία, το τέλος της περιόδου (1200-1100 π.Χ.) σημαδεύεται από το συνοικισμό των κωμών της Αττικής από το Θησέα, ο οποίος έπεται ενός πρωιμότερου (1500 π.Χ.) και πιο περιορισμένου συνοικισμού δεκαπέντε οικισμών, από τον Κέκροπα. Ο συνοικισμός του Θησέα αποτελεί κατ’ ουσίαν ένα συνασπισμό των διασκορπισμένων οικισμών, υπό την αιγίδα και την εξουσία ενός άνακτα, που έδρευε στο ανάκτορο της Ακρόπολης.
Η πρώτη φάση του μυκηναϊκού πολιτισμού, η Υστεροελλαδική Ι, είναι ελάχιστα γνωστή στην Αθήνα, κυρίως από όστρακα αγγείων από την Ακρόπολη. Η επόμενη φάση (Υστεροελλαδική ΙΙ), που χρονικά αντιστοιχεί στο 15ο αι. π.Χ. (1500-1400) έχει αφήσει αρκετά ίχνη στην Ακρόπολη. Η μεγάλη ακμή της μυκηναϊκής Αθήνας ταυτίζεται με την τρίτη φάση της Υστεροελλαδικής περιόδου, ιδιαίτερα τα πρώιμα χρόνια της (περ. 1410-1380). Ο πληθυσμός εξαπλώνεται σε όλο το νότιο τμήμα της πόλης. Είναι όμως πιθανό να είχε σχηματιστεί και ένας νέος οικισμός στα βόρεια της Ακρόπολης, του οποίου το νεκροταφείο ήταν στην Αγορά της Αθήνας. Άλλα δύο σημαντικά νεκροταφεία τοποθετούνται στον Άρειο Πάγο, με εξαιρετικά πλούσιες ταφές, και στη ρίζα του Λόφου των Νυμφών.
Στο χώρο της Αγοράς της Αθήνας υπάρχει ένας εκτεταμένος αριθμός ταφών της ΥΕ ΙΙ και ΙΙΙΑ περιόδου (16ος-14ος αι.), ενώ ελάχιστες είναι αυτές που τοποθετούνται στην ΥΕ ΙΙΙΒ και ΙΙΙΓ (13ος-12ος αι.). Συνολικά έχουν ανασκαφεί 41 τάφοι στο μυκηναϊκό νεκροταφείο του χώρου αυτού, εκ των οποίων οι 21 ήταν θαλαμωτοί και εξυπηρετούνταν από ξεχωριστό δρόμο. Οι λακκοειδείς τάφοι είναι επίσης σχετικά δημοφιλείς, αφού εντοπίζουμε 12. Πιο πολυτελείς από τους θαλαμωτούς είναι οι τάφοι που ανασκάφηκαν στη βόρεια κλιτύ του Αρείου Πάγου, έξω από το κυρίως νεκροταφείο. Οι θαλαμωτοί τάφοι της Αγοράς ήταν μικροί σε μέγεθος, κυρίως εξαιτίας του σκληρού βράχου στον οποίο έπρεπε να σκαφτούν. Σε ορισμένες περιπτώσεις υπήρχαν πολλαπλές ταφές: αξιοσημείωτος είναι ο τάφος VII, ο οποίος περιείχε 25 ταφές και πολλά πλούσια κτερίσματα, σε χώρο μόλις 5,5 τ.μ. Οι περισσότερες ταφές ήταν του ίδιου τύπου: ο νεκρός τοποθετείται κοντά στην είσοδο του θαλάμου, είτε σε εκτεταμένη είτε σε συνεσταλμένη στάση. Στους λακκοειδείς τάφους απαντούν και άλλοι τύποι ταφών (μέσα σε μικρά ξύλινα φέρετρα, κενοτάφια, τάφοι παιδιών κ.λπ.). Οι ενήλικοι που θάβονταν σε λάκκους ανήκαν προφανώς στα κατώτερα στρώματα της κοινωνικής τάξης, καθώς τους συνόδευαν ελάχιστα κτερίσματα.
Εκτός των ταφών, στο χώρο της Αγοράς υπάρχουν πολυάριθμα πηγάδια με μυκηναϊκή κεραμική, ενώ βρέθηκαν και ίχνη δρόμων στη ΒΔ γωνία της Αγοράς, στην περιοχή της Θόλου, στα δυτικά και στην περιοχή της Νότιας Πλατείας. Οι δρόμοι αυτοί χρονολογούνται σε γενικές γραμμές στη Νεολιθική ή την Πρώιμη Ελλαδική περίοδο, αλλά υπάρχουν ενδείξεις χρήσης τους και κατά τη Μυκηναϊκή περίοδο.
Η λαμπρή ιστορία της ύστερης μυκηναϊκής πόλης θα ανακοπεί βίαια στις αρχές του 12ου αι. π.Χ. Αν και η έκταση της πόλης δεν αλλάζει, η πυκνότητα της κατοίκησης είναι πολύ αραιότερη τώρα, με οικίες διασκορπισμένες. Η συγκεντρωτική οικονομία των μυκηναϊκών παλατιών καταρρέει, με αποτέλεσμα την απομόνωση, την παύση των εμπορικών συναλλαγών και τη γενικότερη πτώση του υλικού πολιτισμού. Η μεγάλη διασπορά των νεκροταφείων, με συστάδες ολιγάριθμων τάφων, μαρτυρά την επιστροφή σε μια αγροτική μορφή οργάνωσης του εδάφους, όπου κυριαρχούν οι αγροικίες.
