Несмотря на захват Средней Греции, в том числе Афин, основные военные силы греков, союзная армия и флот были сохранены. Согласно первоначальным планам, греки всей армией должны были оборонять Коринфский перешеек, где возводились мощные оборонительные сооружения. Вот почему спартанцы настаивали на переводе сосредоточенного в Саламинском проливе союзного флота ближе к сухопутной армии. Однако афинские руководители и прежде всего Фемистокл предложили другой план: дать решительное морское сражение в узком Саламинском проливе, где быстроходные и маневренные греческие триеры имели бы преимущество над громоздкими и тихоходными судами противника. А морская победа, по мнению афинян, могла круто повернуть судьбу всей войны.
Сам Ксеркс, в свою очередь, считал решительное морское сражение в данный момент крайне желательным потому, что у него было почти двойное превосходство в количестве судов, их финикийские команды он считал достаточно опытными в морском деле. К тому же греческий флот был оторван от сухопутного войска, в то время как персидские корабли тесно взаимодействовали с основным составом армии.
Стремясь склонить спартанцев к решительной битве, Фемистокл применил следующую хитрость. В лагерь персов был послан лазутчик, который передал Ксерксу якобы секретные сведения о готовившемся отходе греческого флота из-под Саламина. Поверив этим донесениям, а они могли соответствовать действительности, Ксеркс приказал занять выходы из Саламинского пролива и тем самым блокировать греческий флот. Сражение стало неизбежным. Оно произошло 28 сентября 480 г. Как и предполагал Фемистокл, быстроходные и маневренные греческие суда, прекрасно ориентирующиеся в мелководье узкого пролива, сломили упорное сопротивление персов и уничтожили почти весь их огромный флот.
В бессильной ярости Ксеркс наблюдал с берега за гибелью своих судов. Уничтожение персидского флота резко изменило военную ситуацию. Греческие корабли могли теперь перерезать все коммуникации с Малой Азией, уничтожить понтонные мосты через Геллеспонт и поставить в тяжелое положение сухопутное войско. Поэтому Ксеркс меняет планы военной кампании. Со значительной частью армии и остатками флота он возвращается в Азию. В Средней Греции остался отборный корпус во главе с опытным Мардонием.