За год до второго вторжения персов дельфийский оракул провозгласил, что лучшая защита для Афин — «деревянные стены» и что «божественный Саламин… принесет смерть сыновьям женщин». При обсуждении в Афинах смысла этого прорицания Фемистокл настаивал на том, что «деревянные стены» — это не деревянная ограда Акрополя (что было самым очевидным толкованием), а афинские триремы и что «божественный» Саламин, крупный остров к югу от Аттики, благорасположен к афинянам. Мнение Фемистокла перевесило, и афиняне переправили женщин и детей на Пелопоннес, а стариков и движимое имущество — на Саламин. Мужчины же — как афиняне, так и их союзники, в том числе из Спарты, Коринфа и даже Эгины, — распределились по кораблям, половина из которых по настоянию Фемистокла отплыла к мысу Артемисий у северной оконечности Эвбеи, где должна была задержать персидский флот на его пути вдоль берега и не дать ему соединиться с наземной армией, которую, как надеялся Фемистокл, задержат спартанцы в Фермопилах, примерно в шестидесяти пяти километрах к западу от Артемисия. В августовских штормах погибло около трети кораблей Ксеркса. Между греками и персами произошло две битвы: одна, инициированная Фемистоклом, была призвана проверить боеспособность и решимость персов, другая была нападением персов на Артемисий. Персидский налет на Артемисий, хоть и ожесточенный — половина афинских кораблей получила повреждение, — окончился ничем, однако Фемистокл, узнав о гибели трехсот спартанцев у Фермопил, приказал грекам отойти к Саламину. Когда персы двинулись южнее, спартанцы голосованием приняли решение оставить Аттику и Саламин, чтобы защищать Пелопоннес на Коринфском перешейке. Фемистокл утверждал, что в открытых водах Саронического залива маневренность персидского флота будет больше и противник тем самым получит преимущество. Он также сказал, что если жители Пелопоннеса откажутся сражаться при Саламине, то афиняне с их двумястами кораблями возьмут свои семьи и отплывут в италийские колонии, предоставив прочим заботиться о себе самостоятельно.

Саламинский пролив — длинный и неравномерный, восточные подступы к нему охраняются островом Пситталея. Пролив резко сужается до ширины примерно в полмили, а затем открывается в Элевсинскую бухту между Саламином и материком. Мегарский пролив, лежащий к западу, еще более узок. Персам было бы выгоднее заставить греков выйти на открытую воду, и совсем не в интересах Ксеркса было затягивать поход, и все его советники, за исключением одного, высказывались в пользу немедленного нападения. Разлад вносила лишь правительница Галикарнаса, Артемисия, которая советовала выждать, говоря, что без подвоза продовольствия и при риске нападения персов на Пелопоннес союз греков вскоре распадется. Она также напомнила, что персидская армия в смысле логистики зависит от флота, и убежденно предсказала: «Если ты поспешишь ввязаться в морскую битву, то боюсь, что поражение флота может повлечь за собой и поражение армии». Ксеркс оценил честность Артемисии, но не внял ее совету.

Согласно Геродоту и Эсхилу — участнику той битвы, впоследствии ставшей темой для самой ранней из сохранившихся его пьес, «Персы», — в ночь перед битвой греческий гонец сообщил персам, что часть греков собирается уходить через Мегарский пролив. Основная часть персидского флота располагалась на восточных подступах, вокруг Пситталеи, и для предотвращения предполагаемого побега персы отрядили часть кораблей охранять пролив. С восходом солнца утром 25 сентября Ксеркс и его свита оглядели Саламинский пролив с материка. При виде греческих кораблей, сворачивающих в Элевсинскую бухту, Ксеркс отправил свой флот за ними в самую узкую часть пролива, думая, что греки избегают битвы и уходят в уже заблокированный персами Мегарский пролив, однако с приближением финикийских кораблей еще часть греческого флота вышла на бой со стороны Саламина.

Когда персидские корабли одни за другими вошли в тесный пролив, битва стала всеобщей. Передние корабли пытались отойти назад в то самое время, как задние подходили от Пситталеи, «греческие корабли, как и было замыслено, устремились со всех сторон и окружили нас». Исход битвы, видимо, определился довольно рано, однако бои длились весь день, тысячи людей гибли вместе с кораблями — гребцы оказались почти замурованы внутри судна на гребных скамьях, воины падали с верхних палуб и тонули под весом оружия и доспехов. Те, кто держался на плаву, тоже не избежали смерти: «Как рыбу, глушили и убивали, отделяя мясо от костей сломанными веслами и обломками досок… Все беды, даже если подсчитывать их десяток дней, я до конца перечислить не мог бы». Персы осознали собственное поражение куда быстрее греков — те лихорадочно готовились к новому нападению и лишь наутро третьего дня узнали, что персидский флот ночью ушел от Фалера. Победа, по-видимому, стоила грекам 40 трирем, без которых у них осталось 270, в то время как персы потеряли около 200 кораблей и сохранили около 250 — крохи от общего числа судов, имевшихся в начале кампании. Как и предупреждала Артемисия, без флота стало невозможно подвозить припасы, и Ксеркс предпочел как можно скорее эвакуировать из Аттики все наземное войско.

Битва при Саламине не только подтвердила стратегическую правоту Фемистокла — она вынудила персов прекратить наступательную политику и дала грекам полный контроль над Эгейским морем. Окончание войн также приблизило эпоху классической Греции — период, глубоко несхожий и вместе с тем поразительно схожий с архаической эпохой, ему предшествовавшей. Люди, имеющие один язык, религию и общую культуру, по-прежнему населяли бо́льшую часть территории нынешней Греции, а также Геллеспонт и Ионию, часть Черноморского побережья и значительную часть Сицилии и Южной Италии. С политической точки зрения греческий мир был разделен древними разногласиями и соперничеством. Однако разница между архаическим и классическим периодом была куда более значительной. Если Афины и не затмили Спарту как самый влиятельный греческий полис, то оба города-государства стали как минимум равноправны. Более того, новообретенный авторитет Афин появился благодаря флоту — который по численности, степени организации и эффективности не имел аналогов за всю предшествовавшую ему историю. Фемистоклово толкование дельфийского пророчества изменило не только судьбу Афин и всего греческого мира, но и течение всей морской истории вплоть до настоящего времени. По словам Фукидида, Фемистокл считал: «Если афиняне станут морской нацией, у них будут все преимущества по укреплению своей власти. Таким образом он в один миг заложил основу для империи». Впервые в истории стало возможным представление об обширной империи, чье благосостояние зиждется на дальней морской торговле без посредников и чье могущество опирается на мощный флот.