Este artigo analisa as inter-relações entre o desempenho escolar e fatores que caracterizam os processos e ambiente da sala de aula, se concentrando nos efeitos diretos e indiretos das atitudes docentes (relação professor-aluno percebida e expectativas docentes) sobre proficiência em Matemática de estudantes do ensino fundamental. A análise empírica contou com a estimação de um modelo estatístico de equações estruturais ajustado a partir de dados do Estudo Longitudinal da Geração Escolar (Geres) realizado nas cidades do Rio de Janeiro, Belo Horizonte, Campinas, Campo Grande e Salvador, entre 2005 e 2008. Os resultados indicaram que: as expectativas docentes possuem efeitos diretos sobre o desempenho do aluno; fatores de composição das turmas afetam a formação das expectativas; e a relação professor-aluno afeta diretamente os ganhos de aprendizado, sendo influenciada pelo sexo, situação de atraso escolar do aluno e clima disciplinar da turma.