Dopo la caduta in disgrazia di Milziade, ad Atene si afferma la figura politica di Temistocle: il suo principale obiettivo strategico consisteva nel rafforzamento della potenza della città sul mare; quest'ultimo avrebbe costituito un impareggiabile vantaggio come via per l'espansione commerciale ed eventualmente come via di salvezza. Nel 483 a.C. Temistocle fece costruire a questo scopo 100 triremi: i marinai, che appartenevano alla classe dei Teti, acquistarono una notevole importanza.
Il successore di Dario, suo figlio Serse, nel 480 a.C. organizza una seconda spedizione contro la Grecia per vendicare l'insuccesso del padre dieci anni prima, e questa volta si mosse alla guida di due eserciti, uno via terra ed un secondo via mare. Con un atto di
ubris che sarebbe poi stato immortalato dall'unica tragedia di argomento storico, i Persiani di Eschilo, appunto, Serse passò agevolmente l'Ellesponto con un ponte di barche. Il mito vuole - ed è suggestivo credervi - che fece frustare dai suoi soldati le onde, che -
ribollendo impetuose - si rifiutavano di cedergli agevolmente il passo. Atene, Sparta ed altre città della Grecia si allearono di fronte al nemico comune, costituendo la
cosiddetta Simmachia Ellenica contro i Persiani.
Nell'agosto del 480 a.C. presso il passo delle Termopili 300 spartiati, assistiti da 700 soldati di Tespie e guidati dal valoroso Leonida, si opposero accanitamente al passaggio dell'esercito persiano, finchè furono traditi da Efialte, che rivelò ai nemici un sentiero che aggirava la strettoia: i greci delle Termopili caddero tutti dopo un'eroica resistenza. Successivamente, al capo Artemisio i Greci riuscirono a battere per mare i Persiani, lasciando tuttavia scoperta l'Attica che, pianeggiante, venne a trovarsi preda di facili invasioni. Per questa regione, Temistocle fece evacuare la città di Atene e trasferì l'intero esercito sulle navi. Serse diede alle fiamme la città. Nel settembre del 480 a.C. Temistocle al comando delle sue triremi affronta nella baia compresa tra Salamina e la costa le navi persiane e vince: il nemico è costretto a ritirarsi, sconfitto. Nello stesso anno, il tiranno di Siracusa Gelone sconfigge i Cartaginesi ad Imera e nel 474 a.C. suo fratello Gerone vince gli Etruschi a Cuma. Nel 479 a Platea, città della Beozia, Pausania sconfigge Mardonio e gli ultimi resti dell'esercito persiano. A Micale, sempre nel 479, le navi persiane tirate in secco vengono distrutte.
Al termine delle ostilità contro l'impero persiano, l'effetto più rilevante fu l'enorme crescita del prestigio per la città di Atene - che si mise particolarmente in luce nella difesa della libertà di tutta la Grecia - a scapito di Sparta, che perse il primato di miglior polis, come era stata fino ad allora. Con la vittoria sul potente nemico, la Grecia si assicurò inoltre la salvaguardia dei propri traffici marittimi e si guadagnò una certa convinzione di superiorità morale sui nemici barbari come i Persiani appena sconfitti.