位反对过提米斯托克利的将领突然从门外闯进来大叫：“停止辩论，准备战斗吧！波斯人已经完全把我们包围了。”众人见事已至此，才决心听从提米斯托克利的命令，在萨拉米海湾同波斯海军决战。

    被逼到绝境的希腊联合舰队在提米斯托克利的指挥下迅速展开了阵形：科林斯舰队开往海湾西口顶住埃及人的冲击；主力舰队分为左、中、右三队，集中在海湾东口，与波斯主力抗衡。

    也许老天爷也有意邦希腊人的忙。本来希腊海军只有战船３５８艘，而波斯庞大的海军拥有１２０７艘战船。但在战役开始前，由于不熟悉天气、航情，波斯海军在实施包围行动时，先后两次遇到飓风，有６００艘战舰随风飘碎，战斗力损失了一半。

    战斗开始后，双方战舰在性能上的优劣也很快显示出来。雅典的新式三层战舰长４０—４５米，１７０名桨手分别固定在上中下三层甲板上。体积小、速度快、机动性强，吃水线。而波斯老式挂帆战船，体积大、速度慢、机动性差、吃水深。提米斯托克利发挥自己船小快速的优势，机智地指挥雅典战船不断地向波斯战船作斜线冲击，利用船头一根长约５米的包铜横杆，先将敌人的长桨划断，然后调转船头，用镶有铜套的舰首狠狠冲撞波斯战舰的腹部。敌舰就这样一艘一艘地被撞沉。一番激战后，波斯前锋舰队抵挡不住，被迫后撤。而正从后面增授的波斯战舰并不知道战况，它们笛鼓齐鸣，猛往前冲。由于正值顺风，鼓成满帆的后援战舰冲入海湾，正好同后撤的前锋舰只迎头相撞，乱成一团。提米斯托克利见此情景，乘机指挥全军四面出击。波斯舰队进退两难，被冲撞得七零八落，毫无还手之力。海军统帅阿拉禾西亚见败局已定，只得狼狈后撤。

    波斯王薛西斯在山头上从头到尾目睹着这场海战的经过，无奈地看到波斯战舰沉没的沉没，被擒的被擒。八个小时的激战，波斯舰队２００艘战船被击沉，５０艘被俘获。薛西斯万万没想到自己失败的如此之惨，不由得呼天抢地，痛悔莫及。

    面对失败的现实，薛西斯不得不开始考虑整个远征军的前途。一来海军战败，陆军基本的后勤供给失去保障；二来希腊海军可能会乘胜直扑赫勒斯邦海峡（即达达尼尔海峡），截断他的归路。于是，他仰天长叹，命令残存的战舰迅速撤到赫勒斯邦海峡。几天后，薛西斯除留下一部兵力在中希腊继续作战外，自己率领其余部队退回到小亚细亚。

    萨拉米海湾之战是整个希波战争中最重要的一次战役，它扭转了整个战局。第二年，希腊联军在普拉提亚消灭了薛西斯留在希腊的那支陆军，大约同时又在小亚米卡尔海角消灭了波斯在那里的残存海军。公元前４４９年，希腊军队在塞浦路斯岛彻底打败波斯，双方订立和约，结束了持续约半个世纪的希波战争。