Ο περσικός στόλος, το απόγευμα πριν τη ναυμαχία, στάλθηκε να κλείσει την έξοδο από τα στενά. Ο Ηρόδοτος πιστεύει ότι οι Πέρσες εισήλθαν στα Στενά της Σαλαμίνας το σούρουπο, περιμένοντας τους Έλληνες να βγούν, έτσι ώστε να τους καταστρέψουν. Μερικοί σύγχρονοι ιστορικοί συμφωνούν με αυτή την άποψη, ενώ άλλοι δηλώνουν ότι οι Πέρσες δεν μπορούσαν να κάνουν ελιγμούς σε στενό χώρο κατά τη διάρκεια της νύχτας. Υπάρχουν δύο θεωρίες - είτε οι Πέρσες έκλεισαν την έξοδο από τα στενά και εισήλθαν στα στενά με την ανατολή του ήλιου είτε παρατάχθηκαν στα στενά την νύχτα. Οι Πέρσες περιέστρεψαν τον στόλο τους από την άκρη της Κυνόσουρας, έτσι ώστε από μια αρχική προσέγγιση ανατολής-δύσης (εμποδίζοντας την έξοδο), να έρθουν γύρω από μια ευθυγράμμιση βορρά-νότου (δείτε το διάγραμμα). Ο περσικός στόλος φαίνεται να διαμορφώθηκε σε 3 τάξεις των πλοίων (σύμφωνα με τον Αισχύλο) - με τους Φοίνικες στα δεξιά (Αιγάλεω Όρος), τους Ίωνες στα αριστέρα και τους υπόλοιπους στο κέντρο.

Ο Διόδωρος δηλώνει ότι ο Ξέρξης έστειλε τους Αιγύπτιους να κλείσουν τον δίαυλο μεταξύ Σαλαμίνας και Μεγάρων. Αν ο Ξέρξης σκόπευε να παγιδεύσει τους Έλληνες, αυτή η κίνηση θα προκαλούσε αίσθηση (ειδικά όταν δεν περίμενε να ναυμαχήσει με τους Έλληνες). Παρ' όλ' αυτά, ο Ηρόδοτος δεν αναφέρει κάτι τέτοιο (πιθανώς παραπέμπει στην παρουσία των Αιγυπτίων στην κύρια μάχη), με μερικούς σύγχρονους ιστορικούς να απορρίπτουν τη θεωρία αυτή, ενώ άλλοι να τη δέχονται. Ο Ξέρξης επίσης έστειλε λίγο στρατό στην Ψυττάλεια, με σκοπό να σκοτώσει όσους Έλληνες κατέληγαν εκεί.
 Δεδομένου ότι οι Πέρσες αποφάσισαν να μην επιτεθούν στους Έλληνες μέχρι την ανατολή του ηλίου, είχαν αυτοί την ευκαιρία, αφού δεν σκέφονταν να διαφύγουν, να προετοιμαστούν τη νύχτα. Μετά τον λόγο του Θεμιστοκλή, οι ναύτες επιβιβάστηκαν και τα πλοία ήταν έτοιμα. Σύμφωνα με τον Ηρόδοτο, την αυγή, όταν οι Έλληνες μπήκαν στα πλοία τους, οι Πέρσες τους επιτέθηκαν. Αν οι Πέρσες εισήλθαν στα στενά κατά το ξημέρωμα, οι Έλληνες είχαν χρόνο να πάρουν τις θέσεις τους.

Ο Αισχύλος δηλώνει ότι όταν οι Πέρσες εισήλθαν στα στενά, πριν δούν τον ελληνικό στόλο, είχαν ακούσει το πολεμικό τραγούδι των Ελλήνων, τον παιάνα:

Ὦ παῖδες Ἑλλήνων ἴτε,

ἐλευθεροῦτε πατρίδ', ἐλευθεροῦτε δὲ

παῖδας, γυναῖκας, θεῶν τέ πατρῴων ἕδη,

θήκας τε προγόνων:

νῦν ὑπὲρ πάντων ἀγών.

Εμπρός, γιοί των Ελλήνων,

Ελευθερώστε την πατρίδα,

Ελευθερώστε τα παιδιά σας, τις γυναίκες σας,

Τους βωμούς των θεών των πατέρων σας

Και τους τάφους των προγόνων σας:

Τώρα είναι ο αγώνας για τα πάντα.

Ο Ηρόδοτος αναφέρει τον ισχυρισμό των Αθηναίων, ότι στην αρχή της μάχης οι Κορίνθιοι ύψωσαν τα πανιά τους και υποχώρησαν στα βόρεια και ότι επέστρεψαν όταν είχαν όλα τελειώσει  - παρ' ολ' αυτά, οι υπόλοιποι Έλληνες δεν πίστεψαν τους Αθηναίους. Σύμφωνα με τον Χόλλαντ, οι Κορίνθιοι κατευθύνθηκαν στα βόρεια για να ελέγξουν αν υπήρχε εκεί ο αιγυπτιακός στόλος. Από την άλλη, φαίνεται ότι η υποχώρηση των Κορινθίων οδήγησε τους Πέρσες σε επίθεση.

Εκείνη τη στιγμή, φαίνεται ότι οι Πέρσες αποδιοργανώθηκαν, ενώ ήταν φανερό ότι οι Έλληνες ήταν έτοιμοι για επίθεση. Αλλά, αντί να επιτεθούν, οι Έλληνες υποχώρησαν. Σύμφωνα με τον Πλούταρχο, αυτό έγινε για να παραταχθούν σε καλύτερη θέση και για να κερδίσουν χρόνο. Σύμφωνα με τον Ηρόδοτο, οι Έλληνες, καθώς υποχωρούσαν, είδαν μια γυναίκα που τους έλεγε ὦ δαιμόνιοι, μέχρι κόσου ἔτι πρύμνην ἀνακρούεσθε (μετ. ω δαιμόνιοι, μέχρι που σκοπεύετε να φθάσετε με τα πλοία σας;).

Ο Σπαρτιάτης ναύαρχος Ευρυβιάδης έδωσε το σήμα για επίθεση. Στην αρχή, ένα ελληνικό πλοίο, με ένα απλό χτύπημα, διέλυσε το πιο κοντινό περσικό πλοίο. Οι Αθηναίοι δήλωσαν ότι ήταν το πλοίο του Αμεινία, Αθηναίου από την Παλλήνη, αν και οι Αιγινήτες ισχυρίστηκαν ότι ήταν ένα από τα δικά τους πλοία. Τότε, τα ελληνικά πλοία επιτέθηκαν.
  Οι λεπτομέρειες της μάχης είναι πρόχειρες, ενώ κανένας από τους συμμετέχοντες δεν θα μπορούσε να δει τι γινόταν σε ολόκληρο το πεδίο της μάχης, πλην του Ξέρξη και των στρατηγών του. Είναι γνωστό ότι οι ελληνικές τριήρεις είχαν μεγάλο έμβολο στο μπροστινό μέρος, έτσι ώστε να καστρέφουν τα εχθρικά πλοία. Αν ο εμβολισμός δεν έφερνε το επιθυμητό αποτέλεσμα, τότε ξεκινούσε μάχη μεταξύ των στρατιωτών που υπήρχαν στα πλοία Οι Έλληνες είχαν οπλίτες με βαρύ οπλισμό, ενώ οι Πέρσες φαίνεται να είχαν οπλίτες με ελαφρύτερο οπλισμό.

Στο θέατρο της ναυμαχίας, η πρώτη γραμμή μάχης των Περσών απωθήθηκε από τους Έλληνες, εμποδίζοντας την προώθηση της δεύτερης και της τρίτης γραμμής. Ο Θεμιστοκλής, παράλληλα, κατάφερε να χωρίσει στα δύο το δεξιό μέρος της παράταξης των Φοινίκων. Ο Αριαβίγνης (αδερφός του Ξέρξη) σκοτώθηκε στην αρχή της μάχης. Στο κέντρο, οι Έλληνες κατάφεραν να χωρίσουν τον περσικό στόλο στα δύο.

Ο Ηρόδοτος αναφέρει, εκείνη τη στιγμή, την ιστορία της Αρτεμισίας. Το πλοίο της είχε βρεθεί κυνηγημένο από τον Αμεινία. Τότε, για να ξεφύγει, εμβόλισε το πλοίο του Δαμασιθύμου, βασιλιά των Καλυνδέων - αυτό έπεισε τους Αθηναίους ότι το πλοίο της Αρτεμισίας ήταν φιλικό. Ο Ξέρξης, ο οποίος παρακολουθούσε τη ναυμαχία από το Αιγάλεω Όρος, ρώτησε να μάθει ποιός είχε βυθίσει το πλοίο, το οποίο θεώρησε ελληνικό. Κάποιος του απάντησε πως αυτή που το βύθισε ήταν η Αρτεμισία. Τότε ο Ξέρξης είπε «οἱ μὲν ἄνδρες γεγόνασί μοι γυναῖκες, αἱ δὲ γυναῖκες ἄνδρες» (μετ. οι άνδρες μου έγιναν γυναίκες και οι γυναίκες άνδρες). Ορισμένοι Φοίνικες προσπάθησαν να κατηγορήσουν τους Ίωνες για δειλία πριν το τέλος της μάχης. Αλλά ο Ξέρξης διέταξε να αποκεφαλιστούν οι Φοίνικες επειδή είχαν κατηγορήσει τους πιο «ευγενείς» άνδρες του περσικού στόλου.

Ακολούθησε η καταδίωξη και η καταστροφή του περσικού στόλου, ο οποίος υποχώρησε στο Φάληρο. Σύμφωνα με τον Ηρόδοτο, οι Αιγινήτες τους έστησαν ενέδρα - μερικά περσικά πλοία κατευθύνθηκαν στο λιμάνι, στο Φάληρο, όπου βρίσκονταν ο περσικός στρατός. ΟΑριστείδης, μαζί με ένα σώμα οπλιτών, κατευθύνθηκε στην Ψυττάλεια, για να εξοντώσει όσους Πέρσες άφησε εκεί ο Ξέρξης.

Οι Έλληνες έχασαν 40 τριήρεις, ενώ οι Πέρσες φαίνεται να έχασαν 200 πλοία - είναι γνωστό ότι το επόμενο έτος είχαν 300 πλοία. Ο αριθμός των περσικών απωλειών εξαρτάται από τον αριθμό των περσικών πλοίων που θα δεχτούμε ότι βυθίστηκαν ή αιχμαλωτίστηκαν - ο Ηρόδοτος δηλώνει ότι πολλοί Πέρσες χάθηκαν επειδή δεν ήξεραν να κολυμπούν.