Персидский флот из 800 судов под командованием самого Ксеркса в ночь на 27 сентября заблокировал пролив: около 200 судов заняли выходы, а остальные образовали боевой порядок против греческого строя в три линии. Утром правый фланг персов атаковал. Скученные в узком, богатом подводными камнями и мелями Саламинском проливе, персы с тяжелыми кораблями не могли использовать численное превосходство. В бою они налетали на камни, сталкивались из‑за слишком тесного построения, мешали друг другу. Обе стороны действовали решительно. Левый фланг персов во главе с братом Ксеркса Ариоменом, находившемся на самом сильном судне, теснил греков. Однако противостоявшие ему суда Фемистокла, командовавшего правым флангом, стремительно атаковали, повредили и взяли на абордаж флагманский корабль. Ариомен пал в схватке. После его гибели левый персидский фланг обратился в бегство, преследуемый греками. Отбросив его, Фемистокл направился на помощь своему левому флангу, который отступал перед противником. С его прибытием преимущество оказалось на греческой стороне. Персы потерпели поражение и бежали в Фалернскую бухту. Их потери составили около 200 судов, у греков — около 40.

Ксеркс намеревался вторгнуться на Саламин по насыпи. Однако Фемистокл, все еще выступая в роли союзника царя, передал ему, что греки намерены вести флот к Дарданеллам и истребить мост между Европой и Азией. Ксеркс решил отступить, оставив в Греции Мардония. В следующем году Мардоний был разбит, как и флот персов у Дарданелл. Война с персами длилась еще 30 лет, но греки действовали уже наступательно, опираясь на флот, центром деятельности которого стали Афины. Основу этих успехов заложила морская политика Фемистокла.

Фемистокл после победы приступил к восстановлению города и сооружению вокруг него стены, хотя это и вызывало недовольство спартанцев. Затем он обратил внимание на Пирей, заметив удобное расположение пристаней порта. Он старался, по словам Плутарха, «весь город приспособить к морю». Фемистокла поддерживал демос, ибо от аристократов — всадников и гоплитов — власть переходила к гребцам и рулевым. Он, по словам Плутарха, был готов сжечь флоты других эллинских государств, чтобы обеспечить главенство Афин, но этот замысел не получил одобрения Аристида, как хотя и полезный, но бесчестный.

Фемистокл много сделал для обеспечения судоходства в Черноморских проливах и на Черном море. В 478 году флотоводец стал одним из создателей морского союза греческих государств. Союз был заключен между Афинами и малоазийскими и островными греческими городами для борьбы с персидской агрессией. С 478 по 454 год союз известен как Делосский союз, ибо именно на Делосе собирался совет союза и хранилась казна. Союзники обязались содержать флот из 100 триер и войско из 10000 пехотинцев и 1000 всадников. Крупные города выставляли войска и корабли, мелкие — выплачивали в казну налог — форос. Во главе флота и войск стояли афиняне. Благодаря объединению сил морской союз освободил город Византий и в начале 60‑х годов разбил персидские флот и войско у реки Эвримедонт на южном берегу Малой Азии. Но последняя победа уже не была связана с самим Фемистоклом.

Со временем бремя налогов для поддержания флота показалось афинянам слишком тяжелым. В 471 году до н.э. по проискам аристократов Фемистокла общим решением греческих государств присудили к остракизму. После долгих скитаний изгнанный флотоводец бежал к персидскому царю Артаксерксу I, получил в управление ряд городов Малой Азии. Фемистокл кончил жизнь самоубийством после 460 года из‑за того, что не хотел выполнить повеление персидского царя действовать против эллинов. Умер он и похоронен в Магнесии, где ему поставили великолепную гробницу.

Жизнь Фемистокла описали историки Плутарх, Геродот, Фукидид. Благодаря их трудам сохранились сведения о первом создателе регулярного флота в Греции.