攻佔溫泉關以後，波斯軍長驅直入希臘直撲雅典城。然而雅典城空空如也，什麼都沒有。波斯王薛西斯大怒，下令放火燒燬了希臘這座最大、最富庶的城市。
那麼，雅典城的居民都上哪裡去了呢？
原來，當時在希臘，一直流傳著太陽神的一個預言：希臘的命運要靠木牆才能拯救！根據這個預言，有人主張把居民撤到山上去。可是，雅典傑出的海軍統帥提米斯托克利對古老的預言有自己的理解。他說希臘的未來在海上，太陽神所說的木牆就是指大船。因此他建議所有的婦女兒童都坐船到亞哥斯的特洛辛和本國的薩拉米斯島上去躲避，所有的男人都乘著戰船，集中到薩拉米海灣。雅典和其他城邦的人都接受了他的建議。
就在波斯陸軍直撲雅典的時候，波斯海軍也繞過優卑亞島，掠過阿提卡，來到雅典的外港比裡猶斯。他們水陸呼應，大有氣吞山河，踏平希臘之勢。
面對波斯軍隊的水陸夾擊，集中在雅典城南薩拉米海灣的希臘聯合艦隊發生了動搖。大家對光憑這一點兵力，能否打敗波斯大軍毫無信心。有些城邦的人打算把船駛離海灣，去保衛自己的家鄉。在這關鍵的時刻，提米斯托克利挺身而出，建議召開軍事會議，商討作戰方略。在會上，提米斯托克利慷慨陳詞，指出必須把戰船集中在薩拉米海灣和波斯海軍決戰，才能取得勝利。他說，波斯戰艦雖多，但船體笨重，因此港窄、水淺的薩拉米海灣能充分限制其優勢，而且波斯水手們也不熟悉海灣水情和航路；而希臘人正相反，戰船體積小，機動靈活，適合在這個狹窄的淺水灣中作戰，加上水兵們在本國海灣作戰，熟悉水情、航路、能充分發揮力量。因此，提米斯托克利斷言：「我們的艦隊在窄海中作戰，可以以少勝多。如果撤出薩拉米灣，在開闊的水面上決戰，全希臘都要同歸於盡。」儘管提米斯托克利說得很有道理，軍事會議也先後開了兩次，眾人還是聽不進去。
眼看戰機就要失去，提米斯托克利焦急萬分。突然，他腦際靈光一閃，想出一條妙計：為什麼不請波斯人來幫一下忙呢？於是，他叫來自己的一個貼身衛士，交給他一封密信，讓他去向波斯王告密，說希臘海軍人心浮動，不敢交戰，都想逃出海灣。薛西斯見到密信，十分高興，立即下令嚴密封鎖海灣，不准放過一條船。
９月２３日凌晨，波斯艦隊完成了對希臘艦隊的包圍。海灣西口，２００艘埃及戰艦按時到達指定位置，堵住了希臘艦隊的退路；海灣東口，８００多艘波斯戰艦排成三列，將海面封鎖得嚴嚴實實。薛西斯意在必得，把指揮權交給海軍將領阿拉米西亞，自己在薩拉米海灣附近的一個山丘上搭起帳篷，準備悠然觀戰。站在他身邊，手拿紙筆的史官，也正準備如實記錄下波斯海軍的輝煌勝利。
就在希臘人為是戰還是逃的問題爭論不休的時候，一位反對過提米斯托克利的將領突然從門外闖進來大叫：「停止辯論，準備戰鬥吧！波斯人已經完全把我們包圍了。」眾人見事已至此，才決心聽從提米斯托克利的命令，在薩拉米海灣同波斯海軍決戰。
被逼到絕境的希臘聯合艦隊在提米斯托克利的指揮下迅速展開了陣形：科林斯艦隊開往海灣西口頂住埃及人的衝擊；主力艦隊分為左、中、右三隊，集中在海灣東口，與波斯主力抗衡。
也許老天爺也有意邦希臘人的忙。本來希臘海軍只有戰船３５８艘，而波斯龐大的海軍擁有１２０７艘戰船。但在戰役開始前，由於不熟悉天氣、航情，波斯海軍在實施包圍行動時，先後兩次遇到颶風，有６００艘戰艦隨風飄碎，戰鬥力損失了一半。
戰鬥開始後，雙方戰艦在性能上的優劣也很快顯示出來。雅典的新式三層戰艦長４０—４５米，１７０名槳手分別固定在上中下三層甲板上。體積小、速度快、機動性強，吃水線。而波斯老式掛帆戰船，體積大、速度慢、機動性差、吃水深。提米斯托克利發揮自己船小快速的優勢，機智地指揮雅典戰船不斷地向波斯戰船作斜線衝擊，利用船頭一根長約５米的包銅橫桿，先將敵人的長槳划斷，然後調轉船頭，用鑲有銅套的艦首狠狠衝撞波斯戰艦的腹部。敵艦就這樣一艘一艘地被撞沉。一番激戰後，波斯前鋒艦隊抵擋不住，被迫後撤。而正從後面增授的波斯戰艦並不知道戰況，它們笛鼓齊鳴，猛往前衝。由於正值順風，鼓成滿帆的後援戰艦衝入海灣，正好同後撤的前鋒艦隻迎頭相撞，亂成一團。提米斯托克利見此情景，乘機指揮全軍四面出擊。波斯艦隊進退兩難，被衝撞得七零八落，毫無還手之力。海軍統帥阿拉禾西亞見敗局已定，只得狼狽後撤。
波斯王薛西斯在山頭上從頭到尾目睹著這場海戰的經過，無奈地看到波斯戰艦沉沒的沉沒，被擒的被擒。八個小時的激戰，波斯艦隊２００艘戰船被擊沉，５０艘被俘獲。薛西斯萬萬沒想到自己失敗的如此之慘，不由得呼天搶地，痛悔莫及。
面對失敗的現實，薛西斯不得不開始考慮整個遠征軍的前途。一來海軍戰敗，陸軍基本的後勤供給失去保障；二來希臘海軍可能會乘勝直撲赫勒斯邦海峽（即達達尼爾海峽），截斷他的歸路。於是，他仰天長歎，命令殘存的戰艦迅速撤到赫勒斯邦海峽。幾天後，薛西斯除留下一部兵力在中希臘繼續作戰外，自己率領其餘部隊退回到小亞細亞。
薩拉米海灣之戰是整個希波戰爭中最重要的一次戰役，它扭轉了整個戰局。第二年，希臘聯軍在普拉提亞消滅了薛西斯留在希臘的那支陸軍，大約同時又在小亞米卡爾海角消滅了波斯在那裡的殘存海軍。公元前４４９年，希臘軍隊在塞浦路斯島徹底打敗波斯，雙方訂立和約，結束了持續約半個世紀的希波戰爭。