Μέσα σε οκτώ ημέρες από τη μάχη των Θερμοπυλών ο περσικός στρατός έφτασε στα όρια της Αττικής. Ο Θεμιστοκλής πέτυχε να πείσει τους Αθηναίους να εγκαταλείψουν την πόλη τους και να παρατάξουν το στόλο τους στο στενό της Σαλαμίνας, δίνοντας στο χρησμό του μαντείου των Δελφών την ερμηνεία ότι οι Έλληνες πρέπει να καταφύγουν πίσω από το ξύλινο τείχος. Οι Πελοποννήσιοι προτιμούσαν να αγωνιστούν στον Ισθμό, όμως ο Θεμιστοκλής απείλησε ότι σε περίπτωση που οι σύμμαχοι δε συμφωνούσαν με την τακτική του, οι Αθηναίοι θα μετανάστευαν στην Κάτω Ιταλία. Οι Πέρσες επιτέθηκαν το πρωί της 29ης Σεπτεμβρίου, αφού απέκλεισαν τις διόδους του στενού, για να εμποδίσουν τη φυγή των Ελλήνων. Όπως είχε προβλέψει ο Θεμιστοκλής, δεν μπόρεσαν να αξιοποιήσουν την αριθμητική υπεροχή του στόλου τους. Οι Έλληνες εκμεταλλευόμενοι τα ρεύματα της περιοχής είτε εμβόλιζαν τα περσικά πλοία, είτε, αφού τα ακινητοποιούσαν, οι οπλίτες επιτίθονταν στα πληρώματά τους. Ο περσικός στόλος τράπηκε τελικά σε άτακτη φυγή και κατέφυγε στον όρμο του Φαλήρου.

Ο Ξέρξης μετά την ήττα του αναχώρησε για την Ασία, αφήνοντας το Μαρδόνιο να συνεχίσει την εκστρατεία. Εκείνος πρότεινε στους Αθηναίους να συμμαχήσουν μαζί του, υποσχόμενος να τους παραχωρήσει μεγάλες εκτάσεις γης και οικονομική βοήθεια, για να ανοικοδομήσουν την πόλη τους. Μετά την αθηναϊκή άρνηση, την άνοιξη του 479 π.Χ., οι Πέρσες ανακατέλαβαν την Αττική. Οι Πελοποννήσιοι έχοντας πλέον οχυρώσει τον Ισθμό και χωρίς να φοβούνται περσική απόβαση δεν ήταν πρόθυμοι να συνδράμουν τους Αθηναίους. Μόνον η απειλή ότι θα αποδέχονταν τις περσικές προτάσεις, τούς έπεισε να στείλουν τον Παυσανία επικεφαλής των Πελοποννησίων στην κεντρική Ελλάδα. Η μάχη δόθηκε στην πεδιάδα των Πλαταιών το Σεπτέμβριο του 479 π.Χ., καθώς ο Μαρδόνιος πίστευε ότι ο συγκεκριμένος χώρος θα ευνοούσε τις κινήσεις του περσικού ιππικού. Οι Σπαρτιάτες, όμως, ανέτρεψαν την περσική υπεροχή υποχωρώντας στις υπώρειες του Κιθαιρώνα, και ο θάνατος του Μαρδόνιου σήμανε την άτακτη υποχώρηση των Περσών προς τη Φωκίδα.

Το καλοκαίρι του 479 π.Χ., εξάλλου, ο στόλος των Ελλήνων μετά από παρότρυνση πρεσβείας των Ιώνων επιτέθηκε εναντίον του περσικού που είχε αγκυροβολήσει στο στενό μεταξύ της Σάμου και της ιωνικής ακτής. Οι Έλληνες αποβίβασαν στρατό στη Μυκάλη. Στη μάχη που ακολούθησε, η επικράτηση των Ελλήνων και η πυρπόληση του περσικού στόλου έδωσε το σύνθημα για νέα εξέγερση των Ιώνων. Οι Σπαρτιάτες και οι σύμμαχοί τους αρνήθηκαν να συνεχίσουν τον πόλεμο θεωρώντας ότι ήταν αδύνατη η απελευθέρωση της Ιωνίας. Οι Αθηναίοι, αντίθετα, με αρχηγό τον Ξάνθιππο αποφάσισαν να πολιορκήσουν τη Σηστό στη Θρακική Χερσόνησο. Η κατάληψή της Σηστού, την άνοιξη του 478 π.Χ., σηματοδοτεί το τέλος των Περσικών πολέμων και την αφετηρία της αθηναϊκής επέκτασης με πρόσχημα την προστασία των Ιώνων. Στην αντίθεση για τη συνέχιση ή όχι του πολέμου, διαφαίνεται ήδη η εσωτερική σύγκρουση που θα διχάσει τις ελληνικές πόλεις κατά τον 5ο αιώνα.