Тем временем персы перешли к активным действиям. Был разработан план, согласно которому у мыса Артемисий предполагалось уничтожение всего греческого флота. Ахемен решил воспользоваться численным преимуществом своей армады и отправил 200 боевых кораблей вокруг Эвбеи. Они должны были обойти остров, войти с юга в пролив Эврип и отрезать эллинам единственный путь к отступлению. По условленному сигналу планировалась одновременная атака на греческий флот. А чтобы противник ничего не заподозрил и его дозорные на Эвбее не увидели передвижения персидского флота, Ахемен распорядился, чтобы корабли обогнули остров Скиатос, вышли в открытое море, прошли мимо Скироса и только затем резко повернули к Эвбее. Чтобы отвлечь внимание эллинов, Ахемен затеял смотр главных сил флота, стоявшего у Афета. Вполне возможно, что планы персидского командования и увенчались бы успехом, однако ряд непредвиденных обстоятельств их нарушили.
Неожиданно на стоянке эллинских кораблей объявился перебежчик из вражеского стана грек Скилий, прекрасный пловец и ныряльщик, сообщивший соотечественникам о замыслах персов. Эврибиад срочно созвал военный совет, на котором стратеги обсудили положение дел. Решили воспользоваться тем, что противник разъединил свои силы, и бить врага по частям. Первый удар должен был быть нанесен по кораблям, стоявшим у Афета, а затем все силы бросить против судов, идущих в обход Эвбеи. Под вечер эллины атаковали персидский флот.
Ахемен не поверил своим ушам, когда ему доложили, что греки снялись с якорей и выдвигаются на позиции для атаки. Командующий распорядился готовиться к бою и выводить корабли из Пагасийского залива навстречу неприятелю. Финикийские, египетские и киликийские эскадры устремились вперед. Малоазийские эллины не испытывали особого желания сражаться с соотечественниками, а потому действовали вяло и без энтузиазма. Толпившиеся на палубах ионийских и эолийских судов стрелки и гоплиты наблюдали за тем, как триеры союзников, вспарывая острыми носами волны, летят навстречу персидским кораблям. Воинам из Милета, Приены, Колофона и других городов анатолийского побережья казалось, что царский флот просто раздавит безумцев, осмелившихся бросить вызов Ксерксу. Ведь кораблей у владыки Азии в несколько раз больше! На персидских судах, идущих в атаку, царило победное ликование, и командиры кораблей, перекрикиваясь друг с другом, бились об заклад, кто первым захватит афинскую триеру. Царская армада стала окружать греческий флот.
Эврибиад поднял руку, и стоявший рядом воин протрубил условный сигнал. В следующее мгновенье кормчие налегли на рулевые весла, и триеры стали сдвигаться кормами друг к другу, а носами – в сторону врага, образуя полукруг. Персидские корабли с разгона налетели на ощетинившийся таранами боевой порядок триер, и грохот от столкновения двух флотов прокатился вдоль берегов Эвбеи. Треск рвущейся обшивки и ломаемых весел, лязг оружия и крики раненых взметнулись к темнеющему небу.
Бой был скоротечен. Царские корабли, получившие в первой же схватке множество повреждений, начали сдавать назад, чтобы уйти к Афетам и дать возможность вступить в бой другим судам. Но в данной ситуации численное преимущество сыграло против персов, поскольку в узком проливе они не могли свободно развернуться и маневрировать. Их суда мешали друг другу, сталкивались, цеплялись веслами и мачтами. В это время над эллинскими триерами вновь пронесся сигнал трубы, их строй дрогнул и устремился на врага.
Как и персы, греки были стеснены узостью пролива, а потому могли двигаться только в одном направлении – вперед. Эллины били таранами в высокие борта царских кораблей, забрасывали персов стрелами и дротиками, гоплиты прыгали на палубы вражеских судов, рубя направо и налево гребцов и членов команды. Афинский триерарх Ликомед первым захватил неприятельский корабль, положив тем самым начало успешным действиям союзного флота. Греки сражались неистово, как в рукопашных схватках на палубах, так и во время проплыва вдоль бортов вражеских кораблей, ломая весла у финикийских и египетских судов. Яростная битва разгорелась в проливе у мыса Артемисий, и исход этого сражения трудно было предсказать.