Остальные персидские силы со всех сторон спешили к атакованному флангу, однако уже наступила тьма, и противники разошлись. На следующий день Фемистокл повторил маневр с тем же успехом, ибо персы не могли атаковать, пока не завершилось обходное движение. Им пришлось примириться с потерей десятков судов. Тем временем греки получили известие, что противнику удалось пройти Фермопилы, и флоту не оставалось ничего, кроме отхода к Коринфскому перешейку, где сосредоточились греческие войска. Афинские суда, экипажи которых отличились храбростью, шли последними. По пути, в местах удобных для стоянки, Фемистокл на камнях оставлял надписи, призывавшие ионийских греков, состоявших во флоте Ксеркса, изменить персам или хотя бы вредить им. Он надеялся этими надписями если не привлечь на свою сторону ионийцев, то хотя бы вызвать подозрение к ним Ксеркса. Триеры отошли к острову Саламин, где собралось население Афин. Понимая, что от флота зависит жизнь сограждан, Фемистокл решил добиться победы в сражении с численно превосходящим персидским флотом.

Узкий вход в Саламинскую бухту, где сосредоточился греческий флот, не позволял противнику развернуть все силы. Несмотря на настояния Фемистокла сохранить эту выгодную позицию, совет предводителей греческого флота решил отступить. Тогда Фемистокл тайно уведомил Ксеркса о намерениях греков и посоветовал ему отрезать путь отступления, что персидский царь и исполнил. Стратег продолжал убеждать греков в необходимости сопротивления. Когда греческие военачальники узнали, что положение безвыходно, было решено принять бой.

Сражение началось рано утром 27 сентября 480 года до н. э. в проливе между островом Саламин и Аттикой. Преимуществом греков, кроме маневренности их судов, являлось хорошее знание изобиловавшего подводными камнями и мелями узкого пролива. Фемистокл поставил 370 триер в две линии вдоль берега Саламина носом к противнику в час, когда ветер с моря гнал волну в пролив. Волна не вредила плоскодонным низким греческим судам, но сбивала с курса тяжелые персидские, подставляя их борта ударам таранов греков.