Μετά την πτώση των Θερμοπυλών, οι Πέρσες του Ξέρξη προχώρησαν προς την Αθήνα, την οποία κατέλαβαν εύκολα, γιατί οι Αθηναίοι την είχαν εγκαταλείψει. Είχαν πάρει χρησμό από το μαντείο των Δελφών, πως μόνο «τα ξύλινα τείχη» θα τους έσωζαν και τέτοια θεώρησαν τα καράβια τους, στα οποία και κατέφυγαν. Μερικοί μόνο γέροντες, μη θέλοντας να ακούσουν τον Θεμιστοκλή ότι τα «ξύλινα τείχη» ήταν τα καράβια, έμειναν στην Αθήνα, κλείστηκαν στην Ακρόπολη κι έφτιαξαν γύρω πραγματικά ξύλινα τείχη. Όπως ήταν επόμενο, όταν έφθασαν οι Πέρσες, τούς σκότωσαν κι έκαψαν την Αθήνα. Σχεδόν με την είσοδο των Περσών στην Αθήνα, αγκυροβόλησε στον όρμο του Φαλήρου και ο περσικός στόλος, έχοντας παραπλεύσει την Εύβοια και το Σούνιο.
Κατά τη διάρκεια του συμβουλίου, η ένταση ξεπέρασε τα όρια και μεταξύ των αρχηγών των Ελλήνων ανταλλάχτηκαν βαριές εκφράσεις. Ο Ηρόδοτος αναφέρει ότι ο Κορίνθιος στρατηγός Αδείμαντος ειρωνεύτηκε τον Θεμιστοκλή, λέγοντάς του ότι δεν έχει πια πατρίδα, γιατί την Αθήνα την είχαν κυριεύσει οι Πέρσες. Ο Θεμιστοκλής, όμως, του απάντησε περήφανα: «εστίν ημίν πατρίς αι διακόσιαι νήες πεπληρωμέναι», γιατί από τα τριακόσια ελληνικά πλοία, τα διακόσια ήταν αθηναϊκά. Σύμφωνα με τον Πλούταρχο, σε μια στιγμή έντασης, ο Σπαρτιάτης Ευρυβιάδης σήκωσε τη ράβδο του για να χτυπήσει τον Θεμιστοκλή. Εκείνος, τότε, ατάραχος τον αποστόμωσε με το περίφημο: «Πάταξον μεν, άκουσον δε».
Ο Ευρυβιάδης, μπορεί να ήταν τυπικά ο αρχηγός των ελληνικών δυνάμεων, αλλά ο Θεμιστοκλής ήταν ο ιθύνων νους της επιχείρησης. Για να επιταχύνει τη ναυμαχία, μεταχειρίσθηκε το εξής τέχνασμα: Έστειλε κρυφά στους Πέρσες τον παιδαγωγό του Σίκινο να τους πει ότι δήθεν οι Έλληνες ετοιμάζονται να φύγουν από τη Σαλαμίνα κι αν θέλουν να τους νικήσουν να τρέξουν να τους προλάβουν. Ό Ξέρξης έπεσε στην παγίδα και διέταξε να κυκλώσουν τον ελληνικό στόλο και να αποκλείσουν τη δίοδο υποχώρησής του προς τον Ισθμό της Κορίνθου. Κατά την κρίσιμη αυτή στιγμή, ο πολιτικός αντίπαλος του Θεμιστοκλή κι εξόριστος στην Αίγινα Αριστείδης, πέρασε τις γραμμές των Περσών με κίνδυνο τής ζωής του κι έφθασε στο πλοίο του Θεμιστοκλή. Αφού του αποκάλυψε τις κινήσεις του περσικού στόλου, του ανακοίνωσε ότι τώρα που ή πατρίδα τους βρίσκεται σε κίνδυνο ξεχνάει κάθε έχθρα που είχε μαζί του και δέχεται να πολεμήσει ως απλός στρατιώτης κάτω από τις διαταγές του.
Πρώτοι όρμησαν οι Έλληνες, ψάλλοντες τον παιάνα: «Ω παίδες Ελλήνων ίτε, ελευθερούτε, πατρίδα, ελευθερούτε δε παίδας, γυναίκας, θεών τε πατρώων έδη, θήκας τε προγόνων·νυν υπέρ πάντων αγών». Άρχισε, τότε, ένας αγώνας άγριος, σκληρός και φοβερός. Τα πολεμικά τραγούδια των Ελλήνων, οι σάλπιγγες, οι πολεμικές κραυγές, οι κρότοι από τα τρομερά έμβολα, οι φωτιές που πετούσαν οι Έλληνες στα περσικά καράβια, οι καπνοί, αλλά προπάντων η ναυτική τέχνη, η παλικαριά και η γενναιότητα των Αθηναίων και των Αιγινητών κατατρόμαξαν τους Πέρσες και τους συμμάχους τους Φοίνικες. Μέχρι το μεσημέρι, η νίκη άρχισε να γέρνει προς τη μεριά των Ελλήνων.
Η μάχη συνεχίστηκε όλη την ημέρα, ώσπου το βράδυ η θάλασσα ήταν γεμάτη από ξύλα και περσικά κορμιά. Οι Πέρσες είχαν νικηθεί. Ο Διόδωρος ο Σικελιώτης αναφέρει ότι οι Πέρσες έχασαν 200 πλοία και οι Έλληνες 40. Κατά τη διάρκεια της ναυμαχίας, ο Αριστείδης, σε μια παράλληλη επιχείρηση, αποβιβάστηκε στην Ψυττάλεια με ομάδα επίλεκτων Αθηναίων οπλιτών και εξόντωσε την περσική φρουρά, που είχε αναπτυχθεί στη νησίδα του Σαρωνικού.
Η περίλαμπρη νίκη των Ελλήνων οφείλεται εν πολλοίς στο στρατηγικό δαιμόνιο του Θεμιστοκλή και στην ανώτερη ναυτική τέχνη των Ελλήνων. Στον Αθηναίο πολιτικό και στρατηγό αποδόθηκαν εξαιρετικές τιμές. Όταν κάποτε προσήλθε στους Ολυμπιακούς Αγώνες ως θεατής, όλοι οι παρευρισκόμενοι τον αποθέωσαν ως σωτήρα της Ελλάδας.
