Under tiden angrep en grekisk flottstyrka om 271 triremer den persiska flottan utanför Artemision, medan en flotta om 75 triremer skulle förhindra en persisk omringning vid Chalkis. Perserna hade sänt ut en stark kontingent för att omringa den grekiska flottan, men den hamnade i en storm utanför Euboia och skadades. Herodotos gör en direkt parallell mellan slagen vid Thermopyle och Artemision, och placerar dem till och med på samma dag. Artemision var inte en "kamp till döden" på samma sätt som Thermopyle, men Herodotos berättar att omkring hälften av den atenska flottan förstördes eller skadades i en sådan grad att skeppen inte kunde repareras, och att den allierade flottan led andra förluster. Samtidigt hade den lilla grekiska flottan tillfogat stora skador på den större och mäktigare persiska flottan, som var fångad i ett trångt sund och inte kunde manövrera, precis som senare skulle ske vid Salamis. Vidare erövrades 15 persiska skepp när de av misstag för tidigt seglade rakt in i de grekiska linjerna. Då nyheten om tillbakadragandet från Thermopyle kom lämnade den grekiska flottan i lönndom sina positioner.