I mellomtiden angrep en gresk marinestyrke på 271 triremer den persiske flåten utenfor Artemisium, mens en flåte på 75 triremer skulle forhindre en persisk omringing ved Khalkis. Perserne hadde sendt ut en sterk kontingent for å omringe den greske flåten, men den havnet i en storm utenfor Euboia og ble skadet. Herodot gjør en direkte parallell mellom slagene ved Thermopylene og Artemisium, der han til og med plasserer dem på samme dag. Artemisium var riktignok ikke en «kjemp til døden»–kamp slik Thermopylene hadde blitt, men Herodot forteller at rundt halvparten av den athenske flåten ble ødelagt eller skadet i en slik grad at skipene ikke kunne repareres, i tillegg til andre tap i den allierte flåten totalt sett. Samtidig hadde den lille greske flåten gjort alvorlige skader på den større og kraftigere persiske flåten som var fanget i det trange stredet og var ute av stand til å manøvrere, slik det også skulle skje ved Salamis. Videre ble 15 persiske skip erobret da de seilte rett inn i de greske linjene tidligere, ved en feil. Da nyhetene om tilbaketrekningen fra Thermopylene ankom, forlot den greske flåten sine posisjoner i det skjulte.