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.

Οι Πέρσες παρέταξαν γύρω στα 1.200 πολεμικά πλοία, αν και νεώτερες πηγές τα υπολογίζουν από 600 έως 800, ενώ οι Έλληνες περίπου 371 τριήρεις, σύμφωνα με τον Ηρόδοτο. Την αυγή της 28ης ή 29ης Σεπτεμβρίου του 480 π.Χ. οι δύο στόλοι βρέθηκαν ο ένας απέναντι στον άλλο, έτοιμοι για ναυμαχία. Ο Ξέρξης, βέβαιος για τη νίκη του, καθόταν σε χρυσό θρόνο πάνω στο όρος Αιγάλεω, για να απολαύσει το πολεμικό θέαμα.

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.

Ο Ξέρξης, ντροπιασμένος από την ήττα, κατέφυγε με τα υπολείμματα του στόλου του στον Ελλήσποντο. Στην Ελλάδα παρέμεινε ο στρατηγός του Μαρδόνιος με 300.000 άνδρες για τη συνέχιση του αγώνα. Οι Πέρσες δεν είχαν πει ακόμα την τελευταία τους λέξη.

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.