Ο Ευρυβιάδης έδωσε με τη σάλπιγγα το σήμα για την επίθεση. Ο Θεμιστοκλής κατόρθωσε να χωρίσει στα δύο το δεξιό και ισχυρότερο μέρος από την παράταξη των Φοινίκων. Επακολούθησε η καταδίωξη και η καταστροφή του περσικού στόλου, που την παρακολουθούσε εξαγριωμένος και αγανακτώντας ο Ξέρξης, καθισμένος σ' ένα θρόνο στο όρος Αιγάλεω. Ο περσικός στόλος έπαθε πανωλεθρία. Οι Έλληνες έμειναν κύριοι του πεδίου της μάχης και έχασαν μόνο 40 τριήρεις ενώ καταστράφηκαν 200 περσικές τριήρεις. Προς το τέλος της σύγκρουσης, μάλιστα, ο Αριστείδης με Αθηναίους οπλίτες αποβιβάστηκε στη νήσο Ψυττάλεια, στα ανατολικά του όρμου, και εξόντωσε την επίλεκτη περσική φρουρά που ήταν εκεί εγκατεστημένη. Το αποτέλεσμα της ναυμαχίας, καθώς και μία επανάσταση που ξέσπασε εκείνη την περίοδο στη Βαβυλωνία, ανάγκασαν τον Ξέρξη να επιστρέψει στην Ασία. Πολλοί επιφανείς Πέρσες έχασαν τη ζωή τους, μεταξύ των οποίων και ο στρατηγός Αριαβίγνης, αδελφός του Ξέρξη. Οι Πέρσες, με αρχηγό τον Μαρδόνιο, έμειναν για έναν μόλις ακόμη χρόνο στην Ελλάδα. Έφυγαν οριστικά μετά τη βαριά ήττα τους, το 479 π.Χ., στις Πλαταιές και στη Μυκάλη.