В 478 году Афины создали Делосский морской союз (по имени острова Делос — места сбора союзного флота и хранения союзной казны). В дальнейшем война проходила за пределами Греции. В 468 году афинский полководец Кимон одержал победу над персами у реки Эвримедонта на южном побережье Малой Азии. Однако соперничество Спарты и Афин привело к войне между ними, что ослабило греков. В 454 году отборный афинский флот, посланный на помощь восставшим против власти персов египтянам, был полностью уничтожен в дельте Нила. Вскоре был истреблен и отряд афинян, выдержавший полуторагодичную осаду на одном из островов в дельте Нила. Персы отвели воду из одного из рукавов реки и смогли атаковать осажденных по суше. В 449 году афиняне взяли реванш, одержав победу в двойном, сухопутном и морском, сражении у кипрского города Саламин. В том же году греко-персидские войны завершилась Каллиевым миром (по имени главы греческой делегации). Он был подписан в Сузах. Персидский царь вынужден был отказаться от гегемонии в бассейне Эгейского моря и признал автономию греческих полисов Малой Азии.
Поражение в греко-персидских войнах стало началом заката Персидской державы династии Ахменидов. Период ее упадка растянулся на сто с лишним лет, до завоевательных походов Александра Македонского. В Греции же гегемония перешла к Афинам, которые, однако, полвека спустя утратили ее в ходе Пелопоннесской войны.
В ходе греко-персидских войн выяснилось, что наиболее мощным боевым построением на суше является фаланга — сомкнутый строй тяжеловооруженных пехотинцев — гоплитов, главным оружием которых было двухметровое копье — сарис. Они имели также большой круглый деревянный щит «гоплона», обтянутый кожей или плотным полотном. Гоплиты были вооружены также короткими мечами и имели металлические шлемы, панцири и поножи. Глубина фаланги составляла от 8 до 16 рядов, а один ряд мог насчитывать до тысячи человек, что давало ширину фронта до 500 м. Фаланги формировались из наиболее состоятельных граждан греческих полисов. Менее состоятельные граждане, а также неграждане-метейки формировали вспомогательные отряды пращников и лучников, без тяжелого вооружения, а также экипажи морских судов.
Фаланги применялись обеими сторонами, однако у балканских греков они были более многочисленными, так как население выступавших против Персии, полисов балканской Греции, значительно превосходило население входивших в состав Персидской империи греческих городов Малой Азии. Фаланга держалась только на дисциплине составлявших ее солдат, их умении держать строй. Нарушившая строй фаланга обрекалась на поражение перед неприятельской конницей и пешими лучниками. Фаланга могла действовать только на равнинных участках местности, без холмов и оврагов.
Такие участки в Греции были невелики по площади. На них еще могла развернуться фаланга в несколько тысяч человек, но для отрядов конницы, действовавшей в рассыпном строю, не хватало места для маневра. Дисциплина фаланги была дисциплиной гражданской общины греческого полиса.
Народы Персии такой общины не знали. Конные лучники вербовались из кочевых племен. Они привыкли к вольной жизни и лучше всего действовали в россыпном строю на равнинной местности. В гористой Греции персидским конникам негде было развернуться. Да и сокрушить ощетинившуюся копьями и прикрытую крепкими щитами фалангу лучникам было не под силу. Персидские военачальники не смогли наладить оптимального взаимодействия кавалерии с тяжеловооруженной пехотой. Пешие же персидские лучники становились легкой добычей неприятельских фаланг.
На море более мощные греческие триеры — суда с тремя рядами оказались эффективнее финикийских галер. У финикийцев, являвшихся изобретателями триеры, таких судов было все же меньше, чем более дешевых галер. Афины были самым богатым городом в Восточном Средиземноморье и смогли создать самый мощный флот (на его создание Фемистокл пустил все серебро, в течение нескольких лет добытое на Лаврийских рудниках). Имея гораздо больше гребцов, они меньше зависели от капризов погоды и развивали, особенно в условиях штиля, большую скорость, чем неприятельские корабли. Это обеспечило успех афинского и спартанского флотов.