Ахемен решил использовать численное преимущество, развернул корабли дугой и приказал охватывать фланги неприятеля. Но беда подкралась к персам с другой стороны. Помня напутствие Ахемена, командиры судов храбро пошли на сближение с греками, но при этом полностью нарушили боевой порядок. Царские корабли вновь начали сталкиваться в узком проливе, мешать друг другу и цепляться веслами. Эллины воспользовались этой неразберихой и мощно атаковали врага. Греческие триеры с разгона врезались в ряды персидских кораблей и нанесли им серьезные повреждения.
Сражение было долгим и упорным. Царские воины и моряки бились доблестно, поскольку считали для себя позором в третий раз подряд уступить эллинам на море. Особенно отличились египтяне, воевавшие не только храбро, но и умело. Им удалось захватить в бою пять греческих кораблей со всеми членами экипажа и находившимися на борту воинами. Но это был частный успех, мало повлиявший на общий ход битвы.
Сражение растянулось от северной оконечности Эвбеи до материка, сотни кораблей сошлись на этом узком пространстве. Волны раскачивали высокие персидские суда, делая их уязвимыми для таранов греческих триер, а триерархи и кормчие демонстрировали высочайший профессионализм. Особенно в этот день прославились афиняне, среди которых отличился командир триеры Клиний. Битва вновь не выявила победителя, и противники разошлись в разные стороны. Персы вернулись к Афетам, а эллины ушли на свою стоянку. При этом греки успели поднять из воды мертвые тела павших соотечественников.
После сражения Эврибиад устроил совещание. Настроение у присутствующих было не столь радужное, как накануне, поскольку потери были серьезные, а половина афинских кораблей получила повреждения. Вновь зазвучали голоса с требованием оставить позицию у Артемисия и увести флот к югу. На это Фемистокл заявил, что знает, как привлечь на сторону союзников малоазийских греков, воюющих на стороне Ксеркса. А если ионийцы, эолийцы и карийцы перейдут на сторону Эллинского союза, то персидский флот окажется настолько ослабленным, что его будет несложно одолеть в открытом бою. Далее Фемистокл добавил, что если его план не удастся, то он сам скажет, когда флоту лучше уплыть от Артемисия. Пока же он обратил внимание стратегов на то, что жители Эвбеи сгоняют свой скот на северную оконечность острова, и порекомендовал забивать его столько, сколько необходимо для пропитания корабельных команд. Ведь если придется уходить от Артемисия, то лучше ничего не оставлять персам. Эта инициатива очень понравилась греческим военачальникам, и они отправили воинов резать скот. Вопрос об отступлении греческого флота на юг повис в воздухе и оставался нерешенным, когда из Фермопил прибыл на триаконтере афинянин Аброних и рассказал о гибели Леонида и прорыве персов через ущелье.
Это в корне меняло всю стратегическую ситуацию; оставаться на старых позициях стало не только опасно, но и бессмысленно. Эврибиад велел спешно отплывать, пока командование персидским флотом не разобралось, что к чему. Эллины быстро погрузились на корабли и через пролив Эврип двинулись к Афинам. Впереди шла коринфская эскадра, а замыкали строй афинские триеры. Тем временем Фемистокл, отобрав несколько быстроходных кораблей, отправился к тем местам, где, как предполагал, персидский флот будет пополнять запасы воды, и велел написать на прибрежных скалах призыв к малоазийским эллинам. Стратег напоминал им о родственных связях с балканскими греками, о том, что именно из-за них Афины оказались втянуты в войну с персами, и призывал перейти на сторону союзников или же просто не сражаться на стороне Ксеркса. Оставляя эти надписи, Фемистокл исходил из того, что либо ионийцы действительно изменят персидскому царю, либо же Ксеркс заподозрит их в предательстве. Впрочем, судя по всему, никакого толку от этих надписей не было.
Через некоторое время после того, как флот эллинов уплыл на юг, к персам переправился человек с Эвбеи и сообщил о том, что греки ушли от мыса Артемисий. Это было настолько неожиданно, что Ахемен не поверил перебежчику и велел отправить корабли на разведку. Он еще не знал о том, что произошло в Фермопилах. Когда же информация об уходе греческих триер подтвердилась, командующий персидским флотом велел выводить корабли из Пагасийского залива и высаживать десант на Эвбее. Высадившись на берег, персы захватили находившийся недалеко от побережья город Гистиею и разорили окрестности. Путь на Афины армии и флоту Ксеркса был открыт.