Dareios døde i 486 f.Kr. og blev efterfulgt af sin søn Xerxes, som havde nedkæmpet oprøret i Egypten og var rykket til Grækenland. Stormen styrtede to broer sammen, der var bygget over Hellespont (Dardanellerne). Derefter beordrede Xerxes, at havet blev pisket og ingeniører halshugget. Der var blevet bygget nye pontonbroer, hvorigennem perserne i 480 f.Kr. foråret flyttede videre til Balkan. Den persiske flåde bevægede sig parallelt med hæren.
Efter et marathonslag i Athen blev der i et par år ført en politisk kamp mellem Miltiades, Xanthippos, Aristides og Themistokles. Athenerne vidste, at perserne forberedte sig på en ny march og måtte forberede forsvaret, men vidste ikke hvordan. Det vigtigste ord i overvejelserne om typen af forsvar havde Themistokles og Aristides. Themistokles var strateg ved Marathon og gik ind for oprettelsen af flåden, mens lederen af godsejerne Aristides var for udstyr af tungt infanteri. Vinderen blev Themistokles, som havde fået støtte fra attiske sømænd, købmænd og forretningsmænd, der var for mere avancerede generelle fremskridt i flåden. Aristides blev ved udstødelse sendt i eksil.
Ud over athenerne forberedte de andre grækere sig på at angribe perserne. 481 f.Kr. havde repræsentanter for 31 af byen mødtes ved Korinths ishøjder, og de besluttede at slutte sig sammen og at forsvare Grækenland. Alle bøotiske byer undtagen Plataea og alle thessalerne var med perserne. Mange græske byer forblev neutrale. Spartanere og athenere overtog ledelsen af de forenede grækere.
Slaget ved Thermopylæerne
I juni 480 f.Kr. startede persisk hær og flåde fra Thessalonikibugten gennem Thessalien mod syd. Hæren skulle gennem kløften ved Thermopylæerne, hvor perserne mødte en deling af peloponnesere, ledet af den spartanske kong Leonidas. Grækerne har længe modstået overlegne persere og holdt dem, så længe de ikke var omringet af perserne fra bagsiden. Grækerne havde trukket sig tilbage, mens spartanerne blev og døde heroisk (Thermopylæernes epitafium: Åh fremmede, sig til lakedaimonianerne, at vi ligger her og stoler på deres ord). Heltene fra Thermopylæerne blev ofret for de andre, fordi de tillod at athenerne at evakuere og delte militæret.
Slaget ved Artemisia
Den græske flåde under ledelse af Eurybiades modsatte sig perserne ved det nordlige punkt af Euboea Artemis. Der blev slaget ført med skiftende skæbne. Det lykkedes grækerne at holde perserne tilbage, men efter at Leonidas fortalte, at han havde tabt, trak grækerne sig tilbage mod syd.
Slaget ved Salamis
Xerxes trængte ind i Grækenland gennem Thermopylæerne. Befolkningen i Athen havde allerede søgt tilflugt i Athen, Ægina og Troezen takket være flåden, som trak sig tilbage fra slaget ved Artemisia. I september 480 f.Kr. Perserne trængte ind i Athen og ødelagde og brændte det. Den persiske flåde sejlede ind i Phalerum.
I slutningen af september var der et stort slag på havet ved øen Salamis. Der manøvrerede grækerne triremer dygtigt rundt om de enorme persiske skibe, der ikke kunne sættes op til kamp i kanalen mellem Salamis og kysten. For denne sejr havde Themistokles, som ledede slaget og gik ind for at opbygge en flåde, den største ære. Perserne ved Salamis mistede mange skibe, der var støtte for deres landstyrker, især på grund af forsyningen. Xerxes, der overværede slaget ved Salamis fra kysten, blev tvunget til at trække sin hær tilbage til Asien. Han efterlod i Thessalien nogle få tusinde tropper under ledelse af Mardonius.
Slaget ved Plataea
Mardonius forsøgte meget snedigt over for den makedonske kong Alexander I at lave en aftale med athenerne, men det lykkedes ikke. I foråret 479. f.Kr. gik Mardonius fra Thessalien til Beotien, hvor hans allierede Theberne accepterede ham, og derfra gik han ind i Attika. Athenerne blev igen flyttet, og perserne trængte igen ind i Athen. Athenere, Platæere og mange peloponnesere havde sluttet sig sammen og angreb perserne ved Plataea i Bøotien i august i 479 f.Kr. Grækerne under ledelse af spartaneren Pausanias besejrede perserne, og Mardonius blev dræbt i slaget.
Slaget ved Mycale
Dette slag fandt sted i august i 479 f.Kr. (I nogle versioner på samme dag som slaget ved Plataea). Græsk flåde i Lilleasien på det punkt Mycale havde beatan perserne. Herefter trak den græske flåde sig tilbage på Samos. Spartanerne trak sig tilbage, mens athenerne fortsatte krigen mod Persien. I foråret 478 f.Kr. indtog de Sestos på Hellespont. Holdet afsluttede de græsk-persianske krige på europæisk jord. Grækerne under athenerne gik til modangreb, og de småasiatiske grækere begyndte at frigøre sig fra det persiske styre.