分成功的戰術——他命令科林斯艦隊開赴海灣的西口處阻擋波斯艦隊一擁而入。他則將其他艦船分為左、中、右三隊，以180艘雅典戰艦在左翼、16艘斯巴達戰艦在右翼，其他城邦的戰艦在中央，部署在海灣的東口，等待闖進來的波斯艦隊。然後，他命令一個可信賴的奴隸前往薛西斯處，告密說希臘海軍想在夜間出航逃離海灣。薛西斯一世立即下令封鎖海峽東西兩個出口。當然，波斯人也清楚兩軍的差別，他們努力封鎖海灣就是希望能迫使希臘艦隊不得不正面迎戰。
戰爭如期而至，薛西斯一世認為希臘的艦隊已經是甕中之鱉，故在開戰前就以欣賞姿態登上薩拉米海峽附近的愛格勒阿斯山上觀戰，然後下令波斯艦隊開進海灣進行決戰。當波斯艦隊在狹窄的海灣入口闖過科林斯艦隊後，就突然發現他們實際上是一艘接一艘地進入了一個口袋。海面上井然有序地部署著密集的希臘艦隊。這些輕便的希臘戰艦此時立即對進入口袋的波斯戰艦展開攻擊——薩拉米海峽入口處有一個島嶼阻擋，水道狹窄，波斯戰艦一次只能透過十餘艘。這樣波斯海軍被迫採用兵家大忌的添油戰術，即需要逐次投入兵力。而這時正值海潮上漲，海峽內暗流湧動，波斯戰艦體大笨重，很難控制方向。戰爭一開始，進入海峽的波斯戰艦大約只有一百多艘，而希臘聯軍有三百七十艘戰艦，形成以多擊寡的局面。他們就如同一群箭魚一樣，首先向波斯戰艦進行斜線攻擊，用戰艦前面5米長的包銅橫杆將波斯戰艦一側的長漿打斷，然後靈活的希臘戰艦迅速調轉過來再用包裹了黃銅的艦首猛烈撞擊波斯戰艦一側船舷。快速的希臘戰艦就是為這種戰術而設計的，並且運用的十分嫻熟。而當波斯戰艦被打斷一側長槳後就幾乎失去了動力，成了停泊在海上的靶子。當希臘戰艦調轉船頭迅速衝撞過來後，波斯戰艦龐大而又沉重的身軀本來就難以迅速調轉方向，加之在失去長槳後就更加被動，這導致希臘戰艦能夠迅速地一艘艘吃掉波斯戰艦。
這場戰鬥進行了8個小時，希臘人戰果輝煌。波斯艦隊多達200艘戰艦被撞沉，50艘戰艦被俘獲，這一場海戰徹底將波斯艦隊的海上優勢送進了愛琴海。
此時，提米斯托克利又向波斯派出了一名奴隸，詐稱希臘艦隊將要趁勝攻擊赫勒斯邦海峽海上的兩座浮橋。薛西斯一世為避免被希臘人截斷後路以致全軍覆沒，只得下令海陸部隊大部撤退回小亞細亞，途中許多士兵又死於瘟疫和赤痢。但不久希臘艦隊又追擊波斯艦隊於小亞細亞海濱的密卡爾，將其戰艦全部焚燬。薛西斯留下的三十萬波斯陸軍在次年的普拉提亞戰役中也全軍覆滅。
公元前449年，波斯被迫簽訂《卡里阿斯和約》，波斯承認希臘各城邦獨立，放棄愛琴海和裡海一帶霸權等，持續半個世紀的希波戰爭終於以波斯帝國的失敗而結束。強大、統一、完整的波斯帝國就這樣在狹窄的薩拉米海灣敗在了分散、自由、臨時組成的希臘聯軍面前。在公元前499—前330年希臘與波斯對壘時期，希臘只是在兩個很短的時期，即公元前480—前479年和公元前337年—前330年前後共10年時間臨時組成了同盟，但就是這個可以說臨時拼湊的聯盟竟然擊敗了統一的波斯艦隊。而且，第一次希臘聯盟只是擊退了波斯的入侵，第二次希臘聯盟就已經是一個標準的入侵者了，他們侵入並征服了波斯帝國的許多領地。
銘刻在溫泉關的歷史
“過客啊，
請帶話給斯巴達人，
說我們踏實地履行了諾言，
長眠在這裡。”
這是矗立在溫泉關關口的獅子狀紀念碑上鐫刻的銘文，它是在紀念公元前480年的溫泉關戰役。的確，斯巴達戰士儘管沒能守住溫泉關，但他們很好地履行了諾言，然而雅典卻自食其言，對提洛同盟的成員背信棄義。雅典人由抵抗敵人的英雄變成了不可一世的主人。對這些盟友來說，波斯人走了，雅典人來了，都一樣。
希臘城邦在形式上是一種公民的經濟、政治、社會和意識形態的共同體，而其實質不過是一種早期奴隸制國家形態。這些城邦充其量不過是地中海眾多小王國中的一群。小國寡民是它的外部特徵，根本談不上帝國的權威和實力，帝國權力不夠突出和強大。但在雅典，公元前7世紀末至6世紀末所發生的一系列變革，使雅典內部的矛盾消散，雅典已經初步具備了向外擴張的基礎。而這時波斯戰爭的爆發恰好為雅典的擴張提供了千載難逢的歷史機遇。雅典人迅速以此為契機，建立強大的艦隊，驅逐波斯勢力，使原本臣服於波斯的小亞細亞西部及附近島嶼和黑海