被逼到絕境的希臘聯合艦隊在提米斯托克利的指揮下迅速展開了陣形：科林斯艦隊開往海灣西口頂住埃及人的衝擊；主力艦隊分為左、中、右三隊，集中在海灣東口，與波斯主力抗衡。
也許老天爺也有意邦希臘人的忙。本來希臘海軍隻有戰船358艘，而波斯龐大的海軍擁有1207艘戰船。但在戰役開始前，由於不熟悉天氣、航情，波斯海軍在實施包圍行動時，先後兩次遇到颶風，有600艘戰艦隨風飄碎，戰鬥力損失了一半。
戰鬥開始後，雙方戰艦在性能上的優劣也很快顯示出來。雅典的新式三層戰艦長40—45米，170名槳手分別固定在上中下三層甲板上。體積小、速度快、機動性強、吃水淺。而波斯老式掛帆戰船，體積大、速度慢、機動性差、吃水深。提米斯托克利發揮自己船小快速的優勢，機智地指揮雅典戰船不斷地向波斯戰船作斜線衝擊，利用船頭一根長約5米的包銅橫杆，先將敵人的長槳劃斷，然後調轉船頭，用鑲有銅套的艦首狠狠衝撞波斯戰艦的腹部。敵艦就這樣一艘一艘地被撞沉。一番激戰後，波斯前鋒艦隊抵擋不住，被迫後撤。而正從後麵增援的波斯戰艦並不知道戰況，它們笛鼓齊鳴，猛往前衝。由於正值順風，扯成滿帆的後援戰艦衝入海灣，正好同後撤的前鋒艦隻迎頭相撞，亂成一團。提米斯托克利見此情景，乘機指揮全軍四麵出擊。波斯艦隊進退兩難，被衝撞得七零八落，毫無還手之力。海軍統帥阿拉米西亞見敗局已定，隻得狼狽後撤。
波斯王薛西斯在山頭上從頭到尾目睹著這場海戰的經過，無奈地看到波斯戰艦沉沒的沉沒，被擒的被擒。八個小時的激戰，波斯艦隊200艘戰船被擊沉，50艘被俘獲。薛西斯萬萬沒想到自己失敗的如此之慘，不由得呼天搶地，痛悔莫及。
麵對失敗的現實，薛西斯不得不開始考慮整個遠征軍的前途。一來海軍戰敗，陸軍基本的後勤供給失去保障；二來希臘海軍可能會乘勝直撲赫勒斯邦海峽（即達達尼爾海峽），截斷他的歸路。於是，他仰天長歎，命令殘存的戰艦迅速撤到赫勒斯邦海峽。幾天後，薛西斯除留下一部兵力在中希臘繼續作戰外，自己率領其餘部隊退回到小亞細亞。
薩拉米海灣之戰是整個希波戰爭中最重要的一次戰役，它扭轉了整個戰局。第二年，希臘聯軍在普拉提亞消滅了薛西斯留在希臘的那支陸軍，大約同時又在小亞米卡爾海角消滅了波斯在那裏的殘存海軍。公元前449年，希臘軍隊在塞浦路斯島徹底打敗波斯，雙方訂立和約，結束了持續約半個世紀的希波戰爭。