公元前486年，大流士一世病故，大流士的儿子薛西斯一世（Xerxes）再次策动了一次远征。薛西斯处事严谨缜密，雷厉风行，和他父亲大流士一世仁厚疏旷形成鲜明对比。薛西斯也是一位伟大的帝王，他对征服希腊也作了最大可能的准备，他先和地中海的另一个海上强国迦太基结盟，让他们牵制住意大利西西里岛上的希腊城邦西拉丘斯（Syracuse），然后他镇压了埃及和巴比伦的反波斯起义后，最后于公元前480年倾全国之力再次出征希腊——对当时整个世界来说，这都是一支可怕的军队，总兵力在50万人，这是一个兵种齐全的远征军，陆军中有步兵、骑兵、战车、战象等，而最为可怕的就是波斯浩浩荡荡的海军，海军占17.5万人，共有战舰1207艘，还有其他各种辅助舰船数百艘，全军还拥有几乎更多数量的各类工程人员、军事供应商、后勤人员、奴隶，甚至各个军营都配属了一定数量的妓女，波斯方面全部人员总数竟然高达264万人。古希腊历史学家希罗多德《历史》一书曾描述道：如果薛西斯的军队至河里饮水，可于一瞬间使河水干枯。薛西斯的军队水陆并进，当他们来到赫勒斯邦海峡的时候，埃及和腓尼基的工程技术人员已经按照薛西斯一世的指示建造了一座由674艘3层桨座战船组成、分两排横越海峡的浮桥，使大军在七天七夜内成功地渡过了海峡。
很快，波斯陆军就攻占了希腊北部，出于恐惧，许多希腊城邦不战而降，波斯军队得以开始一步步向希腊中部推进。
希腊城邦此时不得不暂时停止他们的永无休止的纷争，团结起来。雅典和斯巴达召集其他31个希腊城邦聚集在科林斯，决定消弭内战、共御侵略，由此建立了提洛同盟。
科林斯会议后，希腊城邦将战备资金和物资聚集在提洛岛，交由雅典掌管，而斯巴达国王里奥尼达则率领希腊陆地联军赶赴温泉关，希望能把波斯陆军阻挡在温泉关城下。另一个斯巴达人欧里比阿德斯则统帅希腊联合海军舰队，也赶赴温泉关附近的阿提米西安海域，并且与波斯舰队进行了首场交战，希腊获得小幅胜利。但希腊联军此时仅有轻装步兵7万、重装步兵4万，战船近400艘，与庞大的波斯军队相比相差甚远。
里奥尼达率领的希腊陆军7000人在温泉关仅仅抵抗了三天，一个告密者带领波斯人袭击了温泉关，温泉关失守，利奥尼达等最后三百名斯巴达士兵全部战死。温泉关丢失后，波斯大军锋芒直指雅典。然而此时雅典军民已在海军的帮助下全部撤离，避居于萨拉米、埃吉纳两岛，薛西斯一世大怒，下令烧毁了城中大部分建筑，雅典被毁。
当温泉关失守后，就只能依赖以雅典为首的希腊联合舰队了，但希腊舰队的情形也好不到哪去——波斯舰队数量庞大，远在希腊联合舰队之上，而且波斯舰队多为远洋重型战舰，如果像往常一样完全展开对阵，希腊联合舰队必输无疑。
此时，希腊舰队已经由雅典执政官和雅典联盟的主持者提米斯托克利统帅，在决定战术的军事会议上，提米斯托克利提出希腊舰队就应该在萨拉米（Salamis）海湾与波斯舰队决战，因为萨拉米海湾是一个浅水湾，庞大沉重的波斯远洋战舰在这里不适合，而希腊舰队多是适合浅水的中小型战舰，吃水浅，动作灵活；而且，萨拉米海湾地势上是一个狭窄的港湾，数量庞大的波斯舰队不可能在这里展开，他们如果要攻击希腊舰队就必须从海湾入口处鱼贯而入，这就给了希腊舰队集中攻击的机会；再者，波斯人对萨拉米海湾复杂的海流不甚了解，而希腊人则对此了若指掌，在桨帆作战年代，海流的变化对战舰的航行有着很重要的影响。
相反，提米斯托克利说，如果希腊舰队开出萨拉米海湾在开阔的爱琴海海面上与庞大的波斯舰队决战那无疑是在自取灭亡。
此时，波斯舰队正在对希腊舰队进行包围，整个希腊舰队已经被压缩在狭窄的萨拉米海湾中，但仿佛波斯舰队触怒了希腊的保护神一样，就在波斯舰队调整舰队对萨拉米海湾进行包围的时候，竟然两次遇到飓风，这是一场来势凶猛而且异常狂暴的飓风，庞大的波斯远洋舰队竟然因此而损失了600艘战舰，这实际已经是整个波斯舰队的一半！
但就是如此，波斯舰队还是一个庞然大物，到9月19日，波斯舰队终于完成了合围。
随后，当波斯舰队开进海湾向希腊联合舰队展开攻击的时候，提米斯托克利又采取了一个十分成功的战术——他命令科林斯舰队开赴海湾的西口处阻挡波斯舰队一拥而入，他则将其他舰船分为左、中、右三队，以180艘雅典战舰在左翼、16艘斯巴达战舰在右翼，其他城邦的战舰在中央，部署在海湾的东口，等待闯进来的波斯舰队。然后，他命令一个可信赖的奴隶前往薛西斯处，告密说希腊海军想在夜间出航逃离海湾，薛西斯一世立即下令封锁海峡东西两个出口。当然，波斯人也清楚两军的差别，他们努力封锁海湾就是希望能迫使希腊舰队不得不正面迎战。
战争如期而至，薛西斯一世认为希腊的舰队已经是瓮中之鳖，自己庞大的舰队所向披靡，故在开战前就以欣赏姿态登上萨拉米海峡附近的爱格勒阿斯山上观战，然后下令波斯舰队开进海湾进行决战。当波斯舰队在狭窄的海湾入口闯过科林斯舰队后，就突然发现他们实际上是一艘接一艘地进入了一个口袋，海面上井然有序地部署这密集的希腊舰队。这些轻便的希腊战舰此时立即对进入口袋的波斯战舰展开攻击——萨拉米海峡入口处有一个岛屿阻挡，造成水道狭窄，波斯战舰一次只能通过十余艘，波斯舰队排成几个纵列进入海峡，这样波斯海军被迫采用兵家大忌的添油战术，即需要逐次投入兵力。而这时正值海潮上涨，海峡内暗流涌动，波斯战舰体大笨重，很难控制方向。在战争一开始，进入海峡的波斯战舰大约只有100多艘，而希腊联军有370艘战舰，形成以多击寡的局面。他们就如同一群箭鱼一样，首先向波斯战舰进行斜线攻击，用战舰前面5米长的包铜横杆将波斯战舰一侧的长浆打断，然后灵活的希腊战舰迅速调转过来再用包裹了黄铜的舰首猛烈撞击波斯战舰一侧船舷，快速的希腊战舰就是为这种战术而设计的，并且运用的是分娴熟。而当波斯战舰被打断一侧长浆后就几乎失去了动力，成了停泊在海上的靶子，当希腊战舰调转船头迅速冲撞过来后，波斯战舰庞大而又沉重的身躯本来就难以迅速调转方向，加之在失去长浆后就更加被动，这导致希腊战舰能够迅速地一艘艘吃掉波斯战舰。
这场战斗进行了8个小时，希腊人战果辉煌，波斯舰队多达200艘战舰被撞沉，50艘战舰被俘获，这一场海战彻底将波斯舰队的海上优势送进了爱琴海。此后，失去制海权的波斯舰队无法向陆军供应物资。
此时，提米斯托克利又向波斯派出了一名奴隶，诈称希腊舰队将要趁胜攻击赫勒斯邦海峡海上的两座浮桥，薛西斯一世为避免被希腊人截断后路以致全军覆没，只得下令海陆部队大部撤退回小亚细亚，途中许多士兵又死于瘟疫和赤痢。但不久希腊舰队又追击波斯舰队于小亚细亚海滨的密卡尔（Mycale），将其战舰全部焚毁。薛西斯留下的30万波斯陆军在次年的普拉提亚战役中也全军覆灭。
公元前449年，波斯被迫签订《卡里阿斯和约》，波斯承认希腊各城邦独立，放弃爱琴海和里海一带霸权等，持续半个世纪的希波战争终于以波斯帝国的失败而结束。强大、统一、完整的波斯帝国就这样在狭窄的萨拉米海湾败在分散、自由、临时组成的希腊联军面前——在公元前499——前330年希腊-波斯对垒时期，希腊只是在两个很短的时期，即公元前480——前479年和公元前337——前330年前后共10年时间临时组成了同盟，但就是这个可以说临时拼凑的联盟竟然击败了统一的波斯舰队。而且，第一次联盟希腊击败了波斯的入侵，第二次联盟希腊就已经是一个标准的入侵者，他们入侵并征服了波斯帝国的许多领地。