Darius stierf in 486 v.Chr. en werd opgevolgd door zijn zoon Xerxes, die de opstand in Egypte had onderdrukt en naar Griekenland trok. De storm deed twee bruggen instorten die over de Hellespont (Dardanellen) waren gebouwd. Daarop beval Xerxes de zee te geselen en ingenieurs te onthoofden. Er waren nieuwe pontonbruggen gebouwd waardoor de Perzen in 480 v. Chr. naar de Balkan trokken. De Perzische zeemacht bewoog zich parallel aan het leger.

Na de slag bij Marathon werd in Athene gedurende enkele jaren een politieke strijd gevoerd tussen Miltiades, Xanthippus, Aristides en Themistocles. De Atheners wisten dat de Perzen zich opmaakten voor een nieuwe opmars en dat zij de verdediging moesten voorbereiden, maar wisten niet hoe. Het belangrijkste woord bij het overwegen van het type verdediging hadden Themistocles en Aristides. Themistocles was strateeg bij Marathon en pleitte voor de oprichting van de marine, terwijl de leider van de landeigenaren Aristides voor de uitrusting van de zware infanterie was. De winnaar was Themistocles die gesteund werd door Attische zeelieden, kooplieden en zakenlieden die voor een meer geavanceerde algemene vooruitgang van de marine waren. Aristides werd door ostracisme in ballingschap gezonden.

Naast de Atheners maakten ook de andere Grieken zich op om de Perzen aan te vallen. 481 v. Chr. waren vertegenwoordigers van 31 van de stad bijeengekomen bij de Isthmus van Korinthe en zij besloten zich te verenigen en Griekenland te verdedigen. Alle Boeotische steden behalve Plataea en alle Thessaliërs waren aan de kant van de Perzen. Veel Griekse steden bleven neutraal. Spartanen en Atheners namen de leiding van de verenigde Grieken over.

Slag bij Thermopylae

In juni 480 v.Chr. trokken Perzisch leger en marine vanuit de Golf van Thessaloniki door Thessalië naar het zuiden. Het leger moest door de kloof van Thermopylae, waar de Perzen een troep Peloponnesiërs ontmoetten, aangevoerd door de Spartaanse koning Leonidas. De Grieken hebben lang weerstand geboden aan de superieure Perzen en hielden stand zolang zij niet van achteren door de Perzen waren omsingeld. De Grieken hadden zich teruggetrokken terwijl de Spartanen bleven en heldhaftig stierven (Thermopylae grafschrift: O vreemdeling, zeg de Lacedaemoniërs dat wij hier liggen, vertrouwend op hun woorden). De helden van Thermopylae werden opgeofferd voor de andere, omdat zij de Atheners in staat stelden te evacueren en het leger verdeelden.

Slag bij Artemisia

De Griekse zeemacht onder leiding van Eurybiades verzette zich tegen de Perzen op de noordpunt van Euboea Artemis. Daar werd de strijd geleid met wisselend fortuin. De Grieken wisten de Perzen tegen te houden, maar nadat Leonidas had verteld dat hij had verloren, trokken de Grieken zich terug naar het zuiden.

Slag bij Salamis

Xerxes trok Griekenland binnen via de Thermopylae. De bevolking van Athene had reeds haar toevlucht gezocht in Athene, Aegina en Troezen dankzij de marine, die zich had teruggetrokken uit de slag bij Artemisia. In september 480 VC. drongen de Perzen Athene binnen en verwoestten en verbrandden het. De Perzische zeemacht voer Phalerum binnen.

Afgelopen september was er een grote veldslag op zee bij het eiland Salamis. Daar manoeuvreerden de Grieken triremes behendig rond de enorme Perzische schepen, die niet konden worden opgesteld om te vechten in de geul tussen Salamis en de kust. Voor deze overwinning was de meeste eer weggelegd voor Themistocles, die de strijd leidde en pleitte voor de bouw van een zeemacht. De Perzen verloren bij Salamis veel schepen die steun boden aan hun grondtroepen, vooral door de bevoorrading. Xerxes, die de slag bij Salamis vanaf de kust gadesloeg, werd gedwongen zijn leger terug te trekken naar Azië. Hij liet in Thessalië een paar duizend troepen achter onder leiding van Mardonius.

Slag bij Plataea

Mardonius probeerde heel slim via de Macedonische koning Alexander I een deal met de Atheners te sluiten, maar slaagde daar niet in. In de lente van 479. v. Chr. trok Mardonius vanuit Thessalië naar Beotië waar zijn bondgenoten Thebanen hem aanvaardden, en vandaar trok hij Attica binnen. De Atheners werden opnieuw verplaatst en de Perzen trokken Athene weer binnen. Atheners, Plataeërs en vele Peloponnesiërs hadden zich verenigd en vielen de Perzen aan bij Plataea in Boeotië in augustus in 479 VC. De Grieken onder leiding van de Spartaan Pausanias versloegen de Perzen, en Mardonius werd in de strijd gedood.

Slag bij Mycale

Deze slag vond plaats in augustus in 479 v. Chr. (In sommige versies op dezelfde dag als de slag bij Plataea). Griekse zeemacht in Klein-Azië op het punt Mycale had de Perzen verslagen. Daarna trok de Griekse zeemacht zich terug op Samos. De Spartanen trokken zich terug terwijl de Atheners de oorlog tegen Perzië voortzetten. In de lente van 478 VC. namen ze de Sestos op de Hellespont in. Ze beëindigden de Grieks-Perzische oorlogen op Europees grondgebied. De Grieken onder de Atheners gingen in de tegenaanval en de Grieken in Klein-Azië begonnen zich te bevrijden van de Perzische overheersing.