在万事俱备之后，双方海军开始进入对峙状态。最开始，波斯派出200 艘腓尼基舰队绕过优卑亚岛，想南北夹击敌舰。不过天公不作美，在腓尼基舰队行至该岛东南海面时遭到风暴，全军覆灭。希腊联军获悉此消息后喜上眉梢，立刻率战舰进攻。波斯看见为数不多的希腊战舰向自己发起攻击，还以为他们疯了，认为取胜就如探囊取物。殊不知希腊战舰早就成竹在胸，他们列阵从四面八方包围了敌人。激战至傍晚，双方才鸣锣收兵。而当日希腊战果颇丰，俘获了30艘波斯战舰。

两军在海上酣战之时，陆上的战斗也甚为激烈。波斯大军抵达温泉关后，原是想以其军容威慑敌方，好叫希腊不战而败。但4天过去了，希腊守军毫无退缩之意，仍严阵以待。最后，薛西斯下令波斯大军开始进攻。开始，温泉关易守难攻的优势得以发挥，让波斯大军毫无进展。然而，就在薛西斯无计可施之时，一个希腊叛徒为敌军指点了另一条隐秘的通道。如此一来，波斯大军分两队分头夹击希腊守军。温泉关守势被破，李奥尼达唯有下令让大部分联军撤离。而他自己则亲率不到两千兵力为大部队断后，与波斯大军展开了激烈的战斗。激战中，李奥尼达阵亡。而希腊人为了争夺他的尸体，与敌方展开4 次攻杀。战至最后，希腊断后的守军全部阵亡。波斯大军虽夺得了温泉关，但却为此付出了相当惨重的代价。希腊海军得知温泉关的败讯后，觉得在优卑亚岛已无再战必要，遂回守萨拉米湾。

温泉关得手后，波斯大军立即挥军阿提卡。面对大兵压境，希腊联军决定放弃阿提卡，退至科林斯地峡筑垒防御。至于海军，有人主张放弃萨拉米湾，有人则主张在萨拉米湾决战。事实上，以地理位置而言，在海域狭窄的萨拉米湾与波斯海军开战，希腊海军的胜算更大些。而最终，希腊联军统帅也同意在萨拉米湾与波斯大军决一雌雄。

当战斗号角吹响，人们发现，狭窄的水域果然让战舰数量庞大的波斯海军秩序混乱。反观希腊海军这边，战舰虽然数量不多，却井然有序。到双方交锋后，雅典战舰的"坚且快"的优势尽显，而波斯战舰不是被其撞断桨，就是在冲撞后无法操纵。一时间，波斯战舰损伤甚多。冲在最前面与希腊海军交战的波斯战舰见势不妙意欲后退，但后面的船不知所以却要拼命向前冲。结果一前一后撞在一起，波斯海军乱成一团。大半天的激战后，波斯海军败退，在沿途还不断遭到希腊联军的伏击。

波斯海军惨败的消息传到薛西斯耳朵里，他简直不敢相信。薛西斯深恐希腊海军会乘胜追击，断了自己回波斯的道，于是他赶紧率大部队回朝，仅留玛尔多纽斯率部分陆军退守希腊北部，以期卷土重来。返程途中，薛西斯清点战舰，发现此番损失300余艘战舰，心痛不已。