攻占温泉关以后，波斯军长驱直入希腊直扑雅典城。然而雅典城空空如也，什么都没有。波斯王薛西斯大怒，下令放火烧毁了希腊这座最大、最富庶的城市。
那么，雅典城的居民都上哪里去了呢？
原来，当时在希腊，一直流传着太阳神的一个预言：希腊的命运要靠木墙才能拯救！根据这个预言，有人主张把居民撤到山上去。可是，雅典杰出的海军统帅提米斯托克利对古老的预言有自己的理解。他说希腊的未来在海上，太阳神所说的木墙就是指大船。因此他建议所有的妇女儿童都坐船到亚哥斯的特洛辛和本国的萨拉米斯岛上去躲避，所有的男人都乘着战船，集中到萨拉米海湾。雅典和其他城邦的人都接受了他的建议。
就在波斯陆军直扑雅典的时候，波斯海军也绕过优卑亚岛，掠过阿提卡，来到雅典的外港比里犹斯。他们水陆呼应，大有气吞山河，踏平希腊之势。
面对波斯军队的水陆夹击，集中在雅典城南萨拉米海湾的希腊联合舰队发生了动摇。大家对光凭这一点兵力，能否打败波斯大军毫无信心。有些城邦的人打算把船驶离海湾，去保卫自己的家乡。在这关键的时刻，提米斯托克利挺身而出，建议召开军事会议，商讨作战方略。在会上，提米斯托克利慷慨陈词，指出必须把战船集中在萨拉米海湾和波斯海军决战，才能取得胜利。他说，波斯战舰虽多，但船体笨重，因此港窄、水浅的萨拉米海湾能充分限制其优势，而且波斯水手们也不熟悉海湾水情和航路；而希腊人正相反，战船体积小，机动灵活，适合在这个狭窄的浅水湾中作战，加上水兵们在本国海湾作战，熟悉水情、航路、能充分发挥力量。因此，提米斯托克利断言：“我们的舰队在窄海中作战，可以以少胜多。如果撤出萨拉米湾，在开阔的水面上决战，全希腊都要同归于尽。”尽管提米斯托克利说得很有道理，军事会议也先后开了两次，众人还是听不进去。
眼看战机就要失去，提米斯托克利焦急万分。突然，他脑际灵光一闪，想出一条妙计：为什么不请波斯人来帮一下忙呢？于是，他叫来自己的一个贴身卫士，交给他一封密信，让他去向波斯王告密，说希腊海军人心浮动，不敢交战，都想逃出海湾。薛西斯见到密信，十分高兴，立即下令严密封锁海湾，不准放过一条船。
9月23日凌晨，波斯舰队完成了对希腊舰队的包围。海湾西口，200艘埃及战舰按时到达指定位置，堵住了希腊舰队的退路；海湾东口，800多艘波斯战舰排成三列，将海面封锁得严严实实。薛西斯意在必得，把指挥权交给海军将领阿拉米西亚，自己在萨拉米海湾附近的一个山丘上搭起帐篷，准备悠然观战。站在他身边，手拿纸笔的史官，也正准备如实记录下波斯海军的辉煌胜利。
就在希腊人为是战还是逃的问题争论不休的时候，一位反对过提米斯托克利的将领突然从门外闯进来大叫：“停止辩论，准备战斗吧！波斯人已经完全把我们包围了。”众人见事已至此，才决心听从提米斯托克利的命令，在萨拉米海湾同波斯海军决战。
被逼到绝境的希腊联合舰队在提米斯托克利的指挥下迅速展开了阵形：科林斯舰队开往海湾西口顶住埃及人的冲击；主力舰队分为左、中、右三队，集中在海湾东口，与波斯主力抗衡。
也许老天爷也有意邦希腊人的忙。本来希腊海军只有战船358艘，而波斯庞大的海军拥有1207艘战船。但在战役开始前，由于不熟悉天气、航情，波斯海军在实施包围行动时，先后两次遇到飓风，有600艘战舰随风飘碎，战斗力损失了一半。
战斗开始后，双方战舰在性能上的优劣也很快显示出来。雅典的新式三层战舰长40—45米，170名桨手分别固定在上中下三层甲板上。体积小、速度快、机动性强，吃水线。而波斯老式挂帆战船，体积大、速度慢、机动性差、吃水深。提米斯托克利发挥自己船小快速的优势，机智地指挥雅典战船不断地向波斯战船作斜线冲击，利用船头一根长约5米的包铜横杆，先将敌人的长桨划断，然后调转船头，用镶有铜套的舰首狠狠冲撞波斯战舰的腹部。敌舰就这样一艘一艘地被撞沉。一番激战后，波斯前锋舰队抵挡不住，被迫后撤。而正从后面增授的波斯战舰并不知道战况，它们笛鼓齐鸣，猛往前冲。由于正值顺风，鼓成满帆的后援战舰冲入海湾，正好同后撤的前锋舰只迎头相撞，乱成一团。提米斯托克利见此情景，乘机指挥全军四面出击。波斯舰队进退两难，被冲撞得七零八落，毫无还手之力。海军统帅阿拉禾西亚见败局已定，只得狼狈后撤。
波斯王薛西斯在山头上从头到尾目睹着这场海战的经过，无奈地看到波斯战舰沉没的沉没，被擒的被擒。八个小时的激战，波斯舰队200艘战船被击沉，50艘被俘获。薛西斯万万没想到自己失败的如此之惨，不由得呼天抢地，痛悔莫及。
面对失败的现实，薛西斯不得不开始考虑整个远征军的前途。一来海军战败，陆军基本的后勤供给失去保障；二来希腊海军可能会乘胜直扑赫勒斯邦海峡（即达达尼尔海峡），截断他的归路。于是，他仰天长叹，命令残存的战舰迅速撤到赫勒斯邦海峡。几天后，薛西斯除留下一部兵力在中希腊继续作战外，自己率领其余部队退回到小亚细亚。
萨拉米海湾之战是整个希波战争中最重要的一次战役，它扭转了整个战局。第二年，希腊联军在普拉提亚消灭了薛西斯留在希腊的那支陆军，大约同时又在小亚米卡尔海角消灭了波斯在那里的残存海军。公元前449年，希腊军队在塞浦路斯岛彻底打败波斯，双方订立和约，结束了持续约半个世纪的希波战争。