Сразу же после победы в Афины был послан гонец. Он пробежал без остановки весь путь, успел прокричать на рыночной площади Афин, что персы разбиты и отступили, и рухнул замертво. После этого оппозиция не рискнула поднять восстание. Греческие войска, совершив форсированный марш, быстро вернулись восвояси. Непогода же не позволила персидскому флоту вовремя прибыть к Афинам. Дарий отплыл к берегам Малой Азии.
В дальнейшем смерть Дария и восстание в Египте, длившееся с 486 по 484 год, заставили персов отложить новый поход в Грецию. Новый царь Ксеркс только в 480 году, укрепив свое положение внутри страны, двинулся в поход на Балканы. Его армию Геродот с комической точностью исчисляет в 4200 тысяч человек, включая обозы. Дельбрюк доказал абсурдность этого числа простым примером. Прусский армейский корпус в конце XIX века, согласно уставу, при численности в 30 000 человек при походе растягивался примерно на 21 км, без учета повозочного парка. Следовательно, если верить Геродоту, походная колонна армии Ксеркса должна была, даже без обозов, растянуться примерно на 3000 км. Следовательно, в тот момент, когда авангард персов высаживался в Греции, арьергард должен был находиться еще в персидской столице Сузах, за рекой Тигр. В действительности и греческая и персидская армия вряд ли превышали по численности несколько десятков тысяч.
Персы переправились на Балканы по большому мосту, построенному через Геллеспонт (Дарданеллы). Действия сухопутной армии поддерживал большой флот. Греческий флот не сумел помешать высадке. Армия греков, состоящая из отряда спартанцев в 300 человек во главе с царем Леонидом, а также отрядов фиванцев и феспийцев, прикрывала Фермопильский проход между северной и средней Грецией. Персам удалось обойти защитников Фермопил. Тогда Леонид бросил навстречу им 4,5 тысячи из 7 тысяч гоплитов, которыми он располагал. Но почти весь этот отряд был уничтожен 10-тысячным корпусом «бессмертных» — личной гвардии персидского царя. Оставшиеся с Леонидом фиванцы сдались на милость победителям. Только спартанский царь с отрядом из 300 человек своих телохранителей дрался до конца. Все они пали в бою. Тем временем основные сухопутные силы греков отступили к Коринфскому перешейку, отделявшему Пелопоннес от остальной Греции. Здесь на помощь афинянам пришла основная часть спартанской армии Войска Ксеркса заняли Аттику, в том числе и Афины. Греческий флот потерпел поражение у мыса Артемизий, но сохранил боеспособность и отступил к о-ву Саламин. Туда было эвакуировано и почти все население Афин, так что персам достался пустой город.
Судьба греко-персидских войн была решена в морском сражении у Саламина. Командовавший афинским флотом стратег Фемистокл был и его создателем. Он понимал, что только на море можно одолеть Персидскую империю. На суше персы всегда будут иметь численное, да и качественное превосходство над греками, тем более что на сторону Ксеркса уже перешли такие греческие государства как Фессалия и Беотия. Однако чем многочисленнее будет армия персидского царя, тем в большей зависимости от подвоза снабжения морем она окажется.
Для того чтобы заманить неприятеля в узкий пролив, отделяющий Саламин от материка, где персы не могли использовать свой численный перевес, Фемистокл прибег к хитрости. Он написал Ксерксу письмо, где утверждал, будто греческий флот готов к капитуляции. Персидский царь поверил, поскольку знал, что в греческом лагере существуют острые разногласия. Спартанцы предлагали отплыть к Пелопоннесу, в противном случае угрожая увести свои корабли. Против решения Ксеркса идти к Саламину из персидских предводителей выступила только царица Галикарнаса в Малой Азии Артемисия. Она предлагала вместе с сухопутной армией двинуться к Пелопоннесу, вынуждая спартанские корабли уйти от Саламина. Однако большинство военачальников решило атаковать греческий флот. Когда флот Ксеркса вошел в пролив, его атаковали греческие триеры, более мощные суда, чем финикийские галеры, составлявшие основу персидского флота (еще там были мало-азийские греки). Сохранилась зарисовка Саламинского боя в драме Эсхила «Персы»: «Сперва стояло твердо войско персов, когда же скучились суда в проливе, дать помощи друг другу не могли и медными носами поражали своих же — все они тогда погибли, а эллины искусно поражали кругом их… И тонули корабли. И под обломками судов разбитых, под кровью мертвых скрылась гладь морская. Покрылись трупами убитых скалы и берега, и варварское войско в нестройном бегстве все отплыть спешило».
Численный перевес персидского флота сыграл здесь против него: скученные корабли в условиях поднявшегося волнения на море несли больше урона от столкновений друг с другом, чем от неприятеля. В этом сражении греки сражались с греками и финикийцами, и тактики придерживались одинаковой: таранили суда противника или пришвартовывались к ним, и находящиеся на судах гоплиты вступали в абордажный рукопашный бой.
Персидский флот проиграл Саламинский бой из-за самоуверенности Ксеркса, решившего, что противник готов капитулировать, и рассматривавшего морскую экспедицию к Саламину как простую демонстрацию силы. Греки потеряли в сражении 40 кораблей из 350, персы — половину из 500 судов, участвовавших в бою.
После поражения флота Ксеркс с большей частью армии покинул Грецию. Пребывание основной массы персидских войск на Балканах теряло смысл: после гибели значительного числа кораблей их невозможно было снабжать. Здесь остался один только корпус под командованием Мардония. Он увел персидские войска из Аттики и закрепился в союзной персам Фессалии.
После победы при Саламине Фемистокл предлагал послать флот к Геллеспонту и разрушить мост, лишив тем самым персидскую армию на Балканах последнего пути снабжения. Однако восторжествовала точка зрения других стратегов, считавших, что, прежде всего, необходимо освободить Грецию от персов.
Весной 479 года Мардоний получил подкрепления и вновь занял Афины. Однако в том же году в Малой Азии у мыса Микале греческий флот под командой спартанского царя Леонтихида и афинянина Ксантиппа, благодаря измене служивших у персов моряков из числа ионийских греков, сжег остатки персидского флота. Лишенный снабжения, Мардоний вынужден был оставить Афины и принять сражение у города Платеи в Беотии с объединенным греческим войском во главе со спартанским царем Павсанием. В этом сражении афиняне имели 8 тысяч гоплитов и столько же легковооруженных воинов. Примерно такой же по численности армией располагали спартанцы. Мардоний был убит в самом начале сражения, что дезорганизовало его войско. Большая часть персидской армии и ее греческих союзников (фессалийцев, беотийцев и др.) погибла или была пленена. В целом же судьбу греко-персидских войн решили сражения не на суше, а на море. Вскоре после битвы при Платеях были взяты Фивы — крупнейший греческий город, вставший на сторону персидского царя.
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.