Com o passo das Termópilas liberado, toda a Grécia central estava aos pés do rei persa. Após a derrota de Leônidas, a frota grega abandonou suas posições em Eubeia e evacuou Atenas, buscando refúgio para as mulheres e os filhos nos arredores da ilha de Salamina. Desse lugar presenciaram o saque e incêndio da Acrópole pelas tropas dirigidas por Mardônio. Apesar disto, Temístocles tinha um plano: atrair a frota persa e forçar o combate (a batalha da Salamina), o que foi uma estratégia que sairia vitoriosa. Conta a lenda que Temístocles se fez passar por traidor ante o rei da Persa, incitando-o a uma vitória segura em Salamina, esta atitude sábia de Temístocles fez com que a Grécia vencesse a guerra.

A batalha naval deu-se no estreito que separa Salamina da Ática, no mês de setembro de 480 a.C. Após as vitórias na Tessália e em Termópilas, a devastação da Beócia e da Ática, o rei persa Xerxes entrou em Atenas, destruindo inclusive os monumentos da Acrópole, desenvolvendo aquela que ficou conhecida pela Segunda Guerra Médica.

Enquanto os coríntios e os espartanos defendiam uma aglomeração militar no istmo, Temístocles concentrou a frota de 200 embarcações (trirremes) na baía de Salamina, enfrentando a frota persa, que, apesar do seu maior número, tinha dificuldades evidentes de maneabilidade no espaço exíguo do estreito, pelo que é completamente derrotada pelos gregos. Xerxes foi obrigado a regressar à Ásia Menor, deixando o comando das tropas restantes ao seu lugar-tenente Mardónio.

O certo é que Xerxes I decidiu entravar o combate naval, utilizando um grande número de barcos, muitos deles de seus súditos fenícios. A frota persa não tinha coordenação ao atacar, enquanto que os gregos tinham mostrado sua estratégia: suas alas envolveriam os navios persas e os empurrariam uns contra os outros para privá-los de movimento. Seu plano resultou em um caos entre a frota persa, com terrível resultado: Alexandre e seus barcos se chocaram entre si, indo a pique muitos deles e contando ainda que os persas não eram bons nadadores, enquanto os gregos ao cair ao mar podiam nadar até a praia. A noite pôs fim ao combate, do qual se retirou destruída a outrora poderosa armada persa. Xerxes presenciou impotente a batalha, do alto de uma colina.

“Os helenos sabiam que quando chega a hora do combate, nem o número nem a majestade dos barcos nem os gritos de guerra dos bárbaros podem atemorizar os homens que sabem se defender corpo a corpo, e têm o valor de atacar o inimigo” (Plutarco)

Temístocles quis levar a guerra à Ásia Menor, enviando para lá a frota e sublevar as colônias jônicas contra o rei da Pérsia, mas Esparta se opôs, por temor de deixar desprotegido o Peloponeso.

Por estas razões, a guerra continuou na Europa, voltando o exército persa a invadir a Ática em 479 a.C.. Mardônio ofereceu a liberdade aos gregos se firmassem a paz, mas Licidas, o único membro do conselho de Atenas que votou por essa causa, foi apedrejado até a morte por seus companheiros. Desta forma, os atenienses souberam buscar refúgio novamente em Salamina, sendo incendiada sua cidade pela segunda vez.

Ao saber que o exército espartano (ameaçado pelos atenienses para que lhes dessem ajuda) se dirigia contra eles, os persas se retiraram até o Oeste, em Platéias. Dirigidos por seu regente Pausânias, conhecido por seu sangue frio, os espartanos conseguiram em 479 a.C. outra estrondosa vitória sobre os persas, capturando de uma vez um grande barco que estava esperando no acampamento persa. Provavelmente no mesmo dia da vitória em Plateia, ocorreu a vitória grega na batalha naval de Mícale, que foi também um sinal para o levantamento dos jônios contra seus opressores. Os persas se retiraram da Hélade, pondo assim fim aos sonhos de Xerxes I de conquistar o mundo helênico. Desta forma as Guerras Médicas, em que se enfrentaram pela primeira vez o Oriente e o Ocidente, chegaram ao fim.

Diante da necessidade de organizar a defesa e de equipar o exército, Atenas liderou a formação da Confederação de Delos, uma aliança entre várias cidades-estado gregas que deveriam contribuir com navios ou dinheiro nos gastos da guerra.