Посетовав на глупость греков, Ксеркс распорядился штурмовать цитадель. Персидские лучники быстро заняли холм Ареопаг, находившийся прямо напротив входа в крепость, и стали обстреливать деревянные укрепления Акрополя зажженными стрелами. Занялись пожары, и под прикрытием густого черного дыма царские воины начали атаку на ворота. С других направлений штурмовать Акрополь без осадной техники было бесполезно, поскольку он возвышался на высокой и отвесной скале.
Укрывшиеся в крепости афиняне не были воинами, и казалось, что никаких проблем у персов не возникнет. Однако захватчики неожиданно наткнулись на серьезное сопротивление. Сверху в них метали копья, дротики и стрелы, сбрасывали пылающие бревна частокола, длинными шестами отталкивали лестницы. Когда же персы усилили натиск на ворота, то афиняне стали скатывать с вершины скалы огромные камни и передавили немало врагов. Ксеркс оказался в глупом положении, поскольку вся Аттика и Афины, за исключением Акрополя, были в его власти, а поставить окончательную точку в войне он не мог.
Главной бедой защитников стало то, что среди них не было людей, хорошо знакомых с военным делом. Столпившись на восточной стене, где находились ворота, они совершенно упустили из виду остальной периметр укреплений Акрополя. История взятия Сард армией Кира Великого повторилась. Пока все внимание афинян было приковано к обороне ворот, персы по отвесной скале сумели залезть на Акрополь. Беспечность и самоуверенность эллинов, убежденных, что в этом месте подъем невозможен, сыграли с ними злую шутку. Стражники и дозорные отсутствовали, поэтому поднявшиеся на скалу персы беспрепятственно перемахнули через стену и с боевым кличем атаковали эллинов.
Все закончилось быстро. Увидев, что враг ворвался в крепость, многие афиняне прыгнули со скалы вниз и разбились насмерть. Другие побежали в храм и накрепко там заперлись. Но персидские воины не обратили на них внимания, а поспешили к воротам, разобрали завал и впустили в цитадель своих товарищей. После этого захватчики ворвались в храм и перебили всех, кто там укрылся. Акрополь пал. Ксеркс поднялся на скалу, прошелся по крепостной стене и, вдоволь насмотревшись с высоты на Афины, распорядился все разграбить и сжечь. Это был его день и его триумф, он сделал то, что не смог сделать отец. Ксеркс отомстит афинянам за сожженные Сарды и исполнит волю Дария.
Пламя, поднявшееся над городом, ознаменовало торжество воли персидского царя. Огромное зарево на черном ночном небосклоне было видно издалека, и весть о падении Афин с быстротой молнии разлетелась по Греции. Эллинов охватил мистический ужас и страх перед Ксерксом. Казалось, что нет в Ойкумене силы, способной положить предел его могуществу. Владыка Азии поднялся на холм Муз и оттуда любовался горящим Акрополем. Там же он продиктовал письмо Артабану в Сузы, где поведал о завоевании большей части Греции и взятии Афин. Отправив гонца к дяде, Ксеркс еще какое-то время побыл на холме, а затем покинул город. После этого тысячи воинов разбежались по улицам, подвергнув дома, храмы и общественные здания невиданному грабежу. Когда грабить стало нечего, персы подожгли остальной город и спешно покинули Афины, чтобы не погибнуть в огне.
Через день, когда пожар стих, Ксеркс призвал к себе Писистратидов, велел им подняться на Акрополь и принести жертву богам. Тем самым царь демонстративно подчеркивал, что только в его власти назначать правителей в Афинах. Для Эллады наступали новые времена.
Прошли столетия, а афиняне по-прежнему помнили об этих страшных днях. Посетив во II веке н. э. Афины, географ и путешественник Павсаний оставил следующую запись: «