Персы двинулись на врага в полном порядке, но, войдя в пролив, стали мешать друг другу, ломать весла, и нарушили строй; когда они подошли достаточно близко к грекам, те по сигналу устремились на них, и по всей линии завязалась жестокая битва, во время которой обе стороны сражались одинаково храбро. В рядах греков особенно отличились афиняне, среди которых выделился Климий, отец Алкивиада. Но в силу большого численного перевеса персов грекам все-таки не удалось одержать решительной победы. Тем не менее, они удержали позицию, а персы были вынуждены вернуться на свою старую якорную стоянку.
Персидские потери превышали греческие, хотя и у греков много трирем было захвачено неприятелем вместе с командой, а половина афинских кораблей имела течь или другие аварии. Это обстоятельство делало сомнительной целесообразность пребывания флота у Артемизия, тем более, что там не имелось средств для починки судов. К тому же триаконтера, державшаяся у Фермопил, вернулась в Гистиайский залив с известием о взятии Фермопильского прохода и гибели Леонида с войском; после этого дальнейшее пребывание флота у Артемизия потеряло всякий смысл, и он вернулся через Эвбейское море в Саронический залив.
Фемистокл взял на себя командование арьергардом и должен был прикрывать отступление. На пути он делал на прибрежных скалах узких проливов бросавшиеся в глаза патриотические надписи, надеясь привлечь на свою сторону малоазийских греков.
Таким образом, флот не добился существенного успеха, открыв врагу путь к Афинам, уступив остров Эвбею и греческие берега. Тем не менее, дни у Артемизия не прошли бесполезно для флота; он выполнил свою задачу, удержавшись на своей позиции и не допустив персов к проливу. Кроме того, встреча с более сильным врагом дала возможность изучить его тактику и проверить собственные приемы, до сих пор практиковавшиеся лишь на маневрах. Греки пришли к убеждению, что персидский флот не так уже страшен. Все это впоследствии принесло свои плоды в Саламинской битве.
Фемистокл был всегда душой всех действий и обладал редкой способностью быстро осваиваться со всякими условиями и применяться к ним. С самого начала войны он предложил перенести решитльные операции с суши на море, и он же в качестве позиции флота для защиты Фермопильского прохода выбрал место в узком проливе у Гистиайского залива, куда и привел флот, оправившийся от первого испуга при появлении персов.
По его инициативе греки, держась в узком проливе и загородив его, несколько раз атаковали персов. Он же выбрал момент для начала боя по всей линии, когда наступавшие персы смешались, сталкиваясь друг с другом. Сражение третьего дня было как бы прологом к Саламинской битве. Наконец, Фемистокл принял на себя прикрытие отступления и брался за наиболее ответственные задачи.
Он воспротивился возвращению флота к Коринфскому перешейку, как на этом настаивали спартанцы, и убедил сосредоточить флот близ Афин, подвергавшихся большой опасности. Союзный совет в Истме не уступил просьбам жителей Афин и Аттики дать Ксерксу решительную битву в Беотии, собрав там все греческое войско, а скорее склонился к защите Пелопоннеса, укрепив перешеек и сосредоточив там все военные силы, что оставляло открытой всю среднюю Грецию для персов, подвигавшихся прямо на Аттику через Фокиду и Беотию, опустошавших и сжигавших все на своем пути.
Сражение при Саламине
В то время, как пелопоннесские корабли направлялись к Саламину, уже заранее выбранному Фемистоклом как место предстоящего сражения, он сам остался с афинскими кораблями в Фалеронском заливе и в Пирее. Со свойственной ему убедительностью, ссылаясь на решение оракула, вероятно, также не лишенное его влияния, он посоветовал афинянам довериться «деревянным стенам» (вошедшим позже в поговорку – «wooden walls») и, перейдя вместе с детьми и женами на корабли, покинуть родной город.
После того, как это было спешно сделано, и гражданское население было перевезена в Трезену и на острова Эгину и Саламин, афинский флот под начальством Фемистокла соединился с пелопоннесским. Последний, прибывший ранее, занял место в Саламинском проливе (Амбелакский залив), афинский же флот, прибывший позднее, должен был, за неимением места в бухте, удовольствоваться песчаным берегом к северу и северо-западу от города Саламина, южнее острова Георгия. К нему присоединились и другие суда, главным образом, островных государств, находившиеся до тех пор по приказанию союзного совета в гавани Трезены.
Персидские войска наводнили Аттику, заняли и опустошили неукрепленные и покинутые Афины. Укрепленный Акрополь с его святынями еще некоторое время защищался жрецами и старыми воинами, пока не был взят штурмом персами, нашедшими потайной ход. Все оставшиеся в живых были убиты, храмы разграблены и сожжены. Торжествующий Ксеркс отправил к себе на родину послов с известием об успешном выполнении задуманной им мести Афинам.