Рано утром 20 сентября греческие корабли расположились в боевом порядке против неприятельского флота, 375 кораблей и почти 70000 человек против 750 кораблей с 150000 экипажа. 200 афинских кораблей под начальством Фемистокла стали на левом крыле, против финикиян; на правом крыле, почетном месте в сражении, стал против ионян и кариян Эврибиад с кораблями Лакедемона, Коринфа, Эгины и Мегары — всего 106 судов. Остальные корабли поместились в центре. Незадолго до расположения в боевой порядок возвратился корабль, посланный в Эгину за изображениями Эакидов. Греки запели пэан (военную песнь), который далеко раздался в горах, и, одушевленные словами предводителя, Фемистокла, ударили в весла на врага с криком: «Вперед, потомки эллинов, спасайте отечество!» Тогда и персы подняли свой варварский военный крик и так стремительно пошли в атаку, что греки изумились и без приказания, держа корабли носом к неприятелю, пошли назад. Так как это отступление продолжалось значительное время, то корабли были оттиснуты к берегам Саламина, и упадок духа с каждым моментом возрастал все более и более. Аминий, афинянин, брат поэта Эсхила, положил конец позорному отступлению. Он велел своей триреме быстро двинуться вперед и носом своего судна врезался в приближавшийся к нему финикийский корабль. Теперь завязалась настоящая битва: афиняне поспешили на помощь к Аминию, а на правом крыле также бодро выступил против врага эгинский корабль, на котором были Эакиды, а за ним последовали и другие. Скоро по всей линии загорелась борьба, долго длившаяся с переменным счастьем. Наконец Фемистоклу удалось прорвать линию Финикиян и обратить их в бегство. Одни, чтобы по крайней мере спастись самим, бросились со своими кораблями к берегу материка, другие же отступили в центр боевой линии. Теперь Фемистокл с фланга сделал нападение на самый центр; один за другим было побеждено несколько кораблей, и один за другим обратились они к восточному входу. Тут, в узком проходе, произошла страшная давка. Корабли, стоявшие здесь в резерве и не бывшие еще в деле, хотели пробиться в бухту, чтобы не показаться бездействующими в глазах царя, который с Эгалея, окруженный придворными чинами и писателями, смотрел на сражение. Корабли же, бежавшие из бухты, встречаясь с ними, ломали их весла, даже пускали их ко дну, чтобы очистить себе дорогу. Больше всех работали тут эгинские корабли. Что ускользнуло от афинян в бухте, то перехвачено было ими у выхода.
Но на самом восточном крыле продолжалась еще жестокая борьба. Ионийские корабли держались храбро, храбрее, чем все остальные. Воззвание Фемистокла, которое он оставил им на берегах Эвбеи, не произвело на них никакого действия. Начальники финикиян, потерявшие свои корабли, явились к царю и жаловались ему, что ионяне дурно сражались и поставили их в такое положение, что они потеряли свои корабли. Между тем, пока еще они говорили это, Ксеркс увидел, как один ионийский корабль — из Самофраки — пустил ко дну аттический корабль, как потом он, пробитый эгинским кораблем, начал тонуть, и как тогда самофракийцы бросились на эгинский корабль, сцепившийся с их судном, и овладели им. Увидев это, царь велел отвести клеветников в сторону и снять с них головы. Фемистокл повел свои корабли против предводителя ионян, Ариавигна, Ксерксова брата. Под градом стрел и дротиков Аминий, плывший рядом с Фемистоклом, врезался своим кораблем в бок персидского адмиральского корабля. Ариавигн сам лично бросился на палубу корабля Аминия, но аттическое копье свергло его в море. Артемисия спасла труп царского сына от потопления. Преследуемая триремой Аминия, она обратилась в бегство, на пути столкнулась с кораблем, принадлежащим к персидскому флоту и пустила его ко дну. Аминий подумал, что она перешла на сторону греков и приказал остановить преследование. Ксеркс, со своей стороны видевший, как она потопила корабль, и думая, что это было неприятельское судно, велел воспеть ее геройский подвиг. «Мужчины сделались бабами, — говорил он, — но зато бабы стали мужчинами». Таким образом, от своей смелой решимости Артемисия получила двойную выгоду: она стала еще выше во мнении царя и спаслась от преследования афинян. Если бы Аминий знал, что она была на корабле, он не перестал бы преследовать ее, так как тому, кто доставил бы ее живую, афиняне обещали 10000 драхм награды — за то, что она, женщина, дерзнула бороться против афинских мужей.
Когда все это происходило на море, Аристид, желая и со своей стороны сделать что-нибудь для отечества, переправился с небольшим числом гоплитов от Саламина к Пситгалии и изрубил весь расположенный там отряд персов. Этим он оказал грекам большую услугу, так как спасавшиеся теперь на остров греки находили там безопасное убежище; персы же, пристававшие сюда в полной надежде на безопасность, встречали смерть.
Побежденный и в жалком состоянии оставил место битвы персидский флот и отступил в Фалернскую бухту. Он потерял более 200 кораблей и около 50000 человек, так как за неумением плавать все персы, падавшие в море, тонули. Греки потеряли 40 кораблей. Храбрее всех дрались афиняне и эгинеты; но преимущество отдано афинянам, потому что они, искусно руководимые Фемистоклом, первые и вполне одолели самого страшного врага, финикиян.
Воодушевленный победой, приготовлялся греческий флот к новой битве на следующий день; думали, что Ксеркс, у которого было еще много кораблей, наутро снова сделает нападение. Но когда стало светать, перед греками открылась пустая Фалернская бухта. Ксеркс отправил весь флот в Геллеспонт — охранять мосты и возможность отступления. С сухопутной же армией, прежде чем начать отступление, он хотел сделать еще попытку против Пелопоннеса. Греческий флот следовал за персидским до острова Андроса, но, заметив здесь, что персы плывут на север, к Геллеспонту, остановился. Фемистокл и афиняне тем не менее предлагали преследовать неприятеля, атаковать и уничтожить его флот, и наконец разрушить мост на Геллеспонте. Но Эврибиад и другие не решились следовать отважным замыслам и планам гениального афинянина. Фемистокл должен был удовольствоваться походом на Киклады, для наказания островов, державших сторону персов. Чтобы поскорее выжить Ксеркса из Греции, Фемистокл еще раз послал к нему Сикинна. Этот сказал ему: «Меня посылает к тебе Фемистокл, сын Неокла, главный предводитель афинян, мужественнейший и мудрейший из всех своих товарищей, известить тебя, что он, дабы оказать тебе услугу, отговорил греков от намерения преследовать твой флот и разрушить мост на Геллеспонте. И теперь ты можешь спокойно отправиться домой». Царь упал духом и решился как можно скорее убраться восвояси. Но зять его Мардоний, более всех других хлопотавший о походе против Греции и по возвращении ни с чем после стольких вооружений имевший основание опасаться за свою особу, упросил царя оставить его с отборным войском, обещая в короткое время покорить ему всю Грецию. Ксеркс оставил ему 300000 лучшего войска, а с остальной армиею поспешил к Геллеспонту. Не один страх перед греческим оружием гнал его в Азию, но и боязнь восстаний в собственном государстве. Плачевно было отступление персидской армии. Места, которые она проходила, были большей частью еще при движении в Грецию разграблены и опустошены; чувствовался недостаток в жизненных припасах, многие ели траву, кору и древесные листья. Голод и неестественная пища, равно как рано наступившие холода, породили повальные болезни и разные бедствия. Так погибла большая часть армии. Когда Ксеркс после 45-дневного перехода достиг Геллеспонта, он нашел, что буря и течение разрушили мосты, и потому поспешил переправиться в Азию на кораблях. В Сардах он ожидал известий о победах Мардония. После преследования персидского флота и экспедиции на Кикладские острова греки занялись на Саламине дележом добычи. Лучшая часть была послана в Дельфы — Аполлону. Из трех финикийских кораблей, которые были захвачены прежде других, абиняне посвятили один исемийскому Посидону; другой — сунийской Афине, третий — садаминскому Аяксу. При пересылке корабля на перешеек, в святилище Посидона, его сопровождал весь союзный флот. Там у алтаря Посидона решили стратеги, кому из предводителей должна быть присуждена первая и кому вторая награда за мужество и заслуги. Все знали, что сражение при Саламине выиграно благодаря Фемистоклу и что ему следует первая награда; но — странное дело! — когда прочитаны были дощечки с мнениями, оказалось, что каждый стратиг первую награду присуждал самому себе и даже не все присуждали Фемистоклу вторую. Самолюбие, зависть и вражда против великого человека руководили этой жалкой подачей мнений. После такого результата приступлено было к дележу добычи. Пелопоннесцы не хотели уступить преимущества афинянам. По этой причине при подаче голосов о храбрости отдельных частей флота первую награду получили не афиняне, а эгинеты. Дельфийский оракул при этом случае высказался против афинян. Он также указал на эгинетов, как на первых бойцов Саламина, предложив им послать Дельфийскому Аполлону еще особенный подарок из своей части добычи; они послали медную корабельную мачту с тремя золотыми звездами. Дар же Фемистокла, который он хотел посвятить в Дельфы из его части добычи, был с презрением отвергнут жрецами.