Os ligantes asfálticos desempenham um papel essencial nas propriedades e performance das misturas asfálticas. O aumento de cargas pesadas, o maior volume de tráfego e a alta pressão dos pneus, combinados com uma variação substancial das temperaturas diárias e sazonais do pavimento, são os principais responsáveis pela falha dos pavimentos asfálticos. Para evitar ou mitigar estas falhas, a presente investigação propõe a utilização de polímeros termoplásticos, HDPE e LLDPE e nanoargila Dellite 43B para modificação do asfalto, a fim de melhorar as suas propriedades termomecânicas e reológicas. Os nanocompósitos foram preparados pelo método de intercalação em solução num misturador de alto cisalhamento durante um tempo de mistura de 2 h, a 180 ℃ e 5000 rpm. A adição de Dellite 43B melhorou as propriedades físicas, reológicas e térmicas do asfalto, quer separado ou sob a forma de misturas de polímero/asfalto. Os resultados da caracterização física mostraram diminuição da penetração e aumento do ponto de amolecimento, susceptibilidade térmica, viscosidade e rigidez. Por outro lado, a caracterização térmica mostrou que os nanocompósitos têm maior estabilidade a temperaturas mais elevadas, ao exibirem maiores quantidades de resíduos e melhorarem as temperaturas de decomposição inicial e final. Assim, a modificação do asfalto por polímeros e nanocompostos parece ser uma solução adequada para o pavimento de estradas em países que experimentam temperaturas elevadas combinadas com longas estações de chuvas intensas.