Ксеркс попался на крючок. Он разделил свой флот, послав египетскую эскадру – одну из лучших – обойти Саламин с запада. Остальной флот он направил в узкое горло пролива. Сражение произошло при условиях, больше всего благоприятствующих более тяжелым и неповоротливым греческим кораблям. Используя остров Саламин, находившийся за ними, как якорь, на котором они медленно покачивались, греки явили персам неприступный фронт. Одновременно, заманив врага в пролив, где персы ожидали встретить разрозненные или даже уже бегущие силы греков, Фемистокл поймал персов в капкан между собственным полукруглым строем кораблей и неприступными берегами Аттики.
Хотя сражение велось в море и было результатом тщательного планирования, использованные методы напоминали бой при Фермопилах. Персам снова помешало собственное количество, и опять дисциплинированность греков показала свою высокую ценность. Сидя на своем троне, поставленном высоко над проливом, Ксеркс видел, как рухнули все его надежды. Дул западный ветер, и только с его помощью уцелевшим персидским кораблям удалось добраться до Фалерона.
Потери греков составили сорок кораблей. Зато им удалось захватить или уничтожить две сотни кораблей врага. Эсхил, который, согласно традиции, присутствовал и при Артемисии, и при Саламине, описывает сражение в пьесе «Персы». «Сначала удавалось персам сдерживать напор. Когда же в узком месте множество судов скопилось, никому никто помочь не мог, и клювы направляли медные свои в своих же, весла и гребцов круша. А греки кораблями, как задумали, нас окружили. Моря видно не было из-за обломков, из-за опрокинутых судов и бездыханных тел, и трупами покрыты были отмели и берег сплошь. Найти спасенье в бегстве беспорядочном весь уцелевший варварский пытался флот. Но греки персов, словно рыбаки тунцов, кто чем попало, досками, обломками судов и весел били. Крики ужаса и вопли оглашали даль соленую, покуда око ночи не сокрыло нас» (перевод С. Апта).
Вся операция действительно была схожа с mattanza. Греки заманили персов в camera della morte между островом Саламин и побережьем Аттики. Потом они захлопнули ловушку и начали убивать.
Зима была уже совсем близко, флот уменьшился, и у персов не было шансов восстановить преимущества. Ксеркс воспользовался советом генерала Мардония и поспешно отбыл в Персию. Но сам Мардоний выразил желание остаться в Греции с отборным войском. Возможно, он считал, что, если царь не будет мешать, у него появится свобода действий, и в следующем году он сможет завоевать всю Грецию.