Он написал Ксерксу письмо, где утверждал, будто греческий флот готов к капитуляции. Персидский царь поверил, поскольку знал, что в греческом лагере существуют острые разногласия. Спартанцы предлагали отплыть к Пелопоннесу, в противном случае угрожая увести свои корабли. Против решения Ксеркса идти к Саламину из персидских предводителей выступила только царица Галикарнаса в Малой Азии Артемисия. Она предлагала вместе с сухопутной армией двинуться к Пелопоннесу, вынуждая спартанские корабли уйти от Саламина. Однако большинство военачальников решило атаковать греческий флот. Когда флот Ксеркса вошел в пролив, его атаковали греческие триеры, более мощные суда, чем финикийские галеры, составлявшие основу персидского флота (еще там были мало-азийские греки). Сохранилась зарисовка Саламинского боя в драме Эсхила «Персы»: «Сперва стояло твердо войско персов, когда же скучились суда в проливе, дать помощи друг другу не могли и медными носами поражали своих же — все они тогда погибли, а эллины искусно поражали кругом их… И тонули корабли. И под обломками судов разбитых, под кровью мертвых скрылась гладь морская. Покрылись трупами убитых скалы и берега, и варварское войско в нестройном бегстве все отплыть спешило».

Численный перевес персидского флота сыграл здесь против него: скученные корабли в условиях поднявшегося волнения на море несли больше урона от столкновений друг с другом, чем от неприятеля. В этом сражении греки сражались с греками и финикийцами, и тактики придерживались одинаковой: таранили суда противника или пришвартовывались к ним, и находящиеся на судах гоплиты вступали в абордажный рукопашный бой.

Персидский флот проиграл Саламинский бой из-за самоуверенности Ксеркса, решившего, что противник готов капитулировать, и рассматривавшего морскую экспедицию к Саламину как простую демонстрацию силы. Греки потеряли в сражении 40 кораблей из 350, персы — половину из 500 судов, участвовавших в бою.

После поражения флота Ксеркс с большей частью армии покинул Грецию. Пребывание основной массы персидских войск на Балканах теряло смысл: после гибели значительного числа кораблей их невозможно было снабжать. Здесь остался один только корпус под командованием Мардония. Он увел персидские войска из Аттики и закрепился в союзной персам Фессалии.