Это решение было уже почти принято, когда Фемистоклу пришла в голову счастливая мысль заставить их решиться на битву. Через доверенное лицо, отправленное к персидскому царю, Фемистокл известил его, что между греками на флоте начались несогласия и что теперь удобнее всего было бы на них напасть. К этому нападению, которое и без того уже было окончательно решено с персидской стороны, тотчас были приняты меры. Еще ночью персы выполнили маневр, при посредстве которого отрезали греческому флоту отход к Истму, так что с наступлением утра греки увидели себя как бы замкнутыми с двух сторон в тесном пространстве между островом Саламином, береговой линией Аттики и неприятельскими кораблями. Сохранилось любопытнейшее описание этой знаменитой битвы, принадлежащее ее очевидцу — замечательному поэту Эсхилу. Он живо изображает, как, с одной стороны, на аттическом берегу, с высокого холма смотрел на это ожесточенное морское побоище всесильный царь и повелитель всей Азии, окруженный своей блестящей свитой, а с другой — на берегу Саламина, жители бедного городка и тысячи несчастных афинских беглецов, которые нашли здесь себе приют и кров. Битва началась рано утром, а когда взошла луна, персидский флот оказался блистательно отраженным на всех пунктах и, при весьма значительных потерях, был приведен в такое смятение и беспорядок, которые не позволили ему и подумать о возобновлении нападения на греков. Причиной поражения персидского флота была, прежде всего, чрезвычайная разнородность его состава и отсутствие умелого руководителя, опытного в морских боях. С другой стороны, значительной помехой персидскому флоту служило множество его кораблей, которые даже развернуть своих сил не могли на том тесном пространстве, на котором происходила битва. Что же касается флота эллинов, то причины его блистательного успеха следует искать не только в нравственном настроении и сильно возбужденном патриотизме, но и в том, что большинство его состояло из афинских кораблей, которые действовали заодно, повинуясь распоряжениям смелого и талантливого Фемистокла. Совершенно справедливо Саламинская битва постоянно приводится в подтверждение того, что может быть достигнуто малым числом воодушевленных патриотизмом воинов против сильнейшего в числе неприятеля. Немаловажной причиной поражения, понесенного персидским флотом, следует считать то, что персы были весьма мало сведущи в морской войне.
На следующий день эллины ожидали вторичного нападения и готовились к отпору, но этого нападения не последовало, потому что именно в тот день в персидском лагере происходили весьма важные переговоры между их начальными Людьми. Мужественный отпор, данный греческим флотом персидскому, был неожиданностью, которая в значительной степени расстраивала планы персов. Хотя поход до Саламинской битвы шел вполне успешно, становилось очевидно, что с греками скоро не поладишь и что раздавить их одним натиском невозможно. А между тем уже начинали складываться те неудобства, с которыми было сопряжено содержание громадной армии в бедной стране. Теперь же, когда греческий флот одержал такую победу над флотом персидским, подвоз припасов морем мог затрудниться и привести к страшным последствиям. Мардоний, который чувствовал перед царем ответственность за успех всего предприятия, предположил, что ему нетрудно будет довести это предприятие до конца, если только у него будут развязаны руки. И самому Ксерксу стало ясно, что его личное присутствие при войске в данное время уже не необходимо. Афины были разрушены, Греция до самого Истма — в руках персов, а потому царь мог со славой победителя вернуться в свое царство, окончание войны поручив Мардонию в качестве главнокомандующего. Притом же царю и небезопасно было на слишком долгое время отлучаться из столицы: ввиду временного перевеса на стороне греческого флота, надо было позаботиться об обеспечении Ионии от нападения и о поддержке своего царственного авторитета по отношению к народам (финикийцам, египтянам и т. д.), которых почитали главными виновниками поражения, понесенного при Саламине.
Ввиду всего этого было решено, по совету Мардония, что царь Ксеркс, с большей частью своего громадного войска, вернется в Персию, где долгое отсутствие царя могло дурно отозваться на управлении страной. Но войну было решено продолжать и закончить завоеванием Пелопоннеса. Для этой цели Ксеркс оставил в Греции Мардония с сильным, отборным войском и поручил ему выполнение дела, которое, с персидской точки зрения, казалось весьма возможным.