Миг неизбежного столкновения надвигался. Западный ветер крепчал. Фемистокл медлил подавать сигнал к атаке. Он видел, что сзади на эллинские триеры накатывается большая волна. Персам бурный морской вал не был виден из-за греческих кораблей, стоявших плотным строем.
Удар волны не стал неожиданностью для эллинов, поэтому строй их кораблей не пострадал. Зато передние персидские корабли, когда волна ударила по ним, оказались сбитыми с курса, некоторые развернуло бортом, некоторые столкнулись друг с другом.
В этот миг и прозвучал очередной сигнал трубы на триере Фемистокла. Весь строй греческих судов, вспенив вёслами морскую гладь, ринулся на врага.
Самыми проворными оказались гребцы на триере Аминия. Она далеко вырвалась вперёд и с разгону протаранила большой вражеский корабль, сверкавший на солнце круглыми медными щитами, ограждавшими верхнюю площадку для лучников. На помощь повреждённому кораблю устремились соседние финикийские триеры. Однако волнение на море мешало финикийским морякам совершать слаженные манёвры, их более высокие суда были гораздо уязвимее под порывами ветра и под ударами волн по сравнению с низко сидящими греческими триерами.
Фронтальный удар эллинских кораблей поддержали с флангов триеры под началом Ксантиппа и пелопоннесские корабли. Атакованные с трёх сторон, финикияне и киликийцы, несмотря на храброе сопротивление, были смяты. Вся передняя линия их кораблей оказалась уничтоженной в самом начале сражения. Эллины, не потеряв ни одного корабля, потопили и взяли на абордаж около тридцати вражеских судов.
Персы, зная, что сверху с горы на них взирает Ксеркс, не помышляли о бегстве, но пытались противостоять эллинам. Образчик мужества показывал Ариабигн, брат царя. Он на своём корабле ударом тарана повредил пелопоннесскую триеру, которая начала тонуть. Рядом оказался корабль Фемистокла. Эллины с тонущего корабля под градом персидских стрел стали перепрыгивать на судно Фемистокла.
Между тем Ариабигн выбрал новую цель для таранного удара - триеру «Саламинию».
Моряки на «Саламинии» вели абордажный бой с командой киликийского корабля, поэтому они не сразу заметили идущий прямо на них флагманский корабль персов.
На помощь «Саламинии» устремились сразу две афинские триеры. Одна из них вскоре отправилась на дно, угодив под удар корабля персов. Другая триера - ею командовал Аминий - сцепилась носовой частью с кораблём Ариабигна. Персы стали прыгать сверху на палубу эллинской триеры, в числе первых был сам Ариабигн. Завязалась яростная схватка, в которой эллины одержали верх. Ариабигн был убит и сброшен за борт, погибли все его воины, оказавшиеся на палубе триеры.
В этот момент подоспела триера Фемистокла и протаранила флагманский корабль, который завалился на борт и стал тонуть.
Увидев, что корабль Ариабигна скрывается под волнами, среди персов началась паника. Другой персидский наварх к тому времени тоже погиб: его корабль сошёлся в битве с триерой Еврибиада и был захвачен спартанцами.
Персидские корабли, сгрудившиеся в узком проливе между островком Фармакусса и берегом Аттики, утратили всякое подобие строя. Не имея возможности действовать слаженно, большая часть судов обратилась в бегство. Навстречу отступающим двигались ионийские и карийские триеры, их командиры жаждали битвы. Карийцы и ионяне не могли взять в толк, что происходит, почему такое множество финикийских триер бежит от врага и лишь немногие пытаются сдержать наступление эллинского флота. Чтобы хоть как-то разойтись в узком проливе с отступающими судами, триерам карийцев и ионян пришлось отойти к мысу Киноссема.
Между Киноссемой и побережьем Аттики было более широкое пространство, поэтому персы попытались в этом месте Саламинского пролива оказать достойное сопротивление. Однако сильный западный ветер и волнение на море мешали им развернуть корабли в боевой строй. К тому же триеры эллинов преследовали врагов столь стремительно, что всякий корабль, прекративший бегство, немедленно подвергался нападению. Эллинский боевой строй тоже рассыпался. Каждый триерарх рвался вперёд, выискивая среди персидских кораблей жертву для таранного удара.
Если бы не ионяне и не карийцы, предпринявшие атаку на эллинские корабли со стороны мыса Киноссема, положение персидского флота стало бы совсем плачевным. Триеры ионян и карийцев ничем не отличались от эллинских, они обладали такой же манёвренностью и быстроходностью. Карийцами предводительствовала царица Артемисия. Во главе ионян стояли навархи Гистией, сын Тимна, Тимонакт, сын Тимагора, и Дамасифим, сын Кандавла.
Сражение продолжалось в общей неразберихе, поскольку ни персы, ни эллины больше не соблюдали боевой строй, а вклинившиеся в скопище судов ионяне и карийцы сами очень скоро рассеялись кто куда. Со стороны варваров не было единоначалия, поскольку главные навархи были убиты, а предводители ионян и карийцев подавали сигналы лишь своим кораблям при выполнении того или иного манёвра. Однако схватка у мыса Киноссема показала эллинам, с каким сильным врагом им приходится иметь дело.
Карийцы потопили шестнадцать эллинских триер, в том числе девять афинских и три спартанских. Ионяне уничтожили семь афинских триер и пять пелопоннесских. Среди ионийцев особенно отличился самосец Феоместор, сын Андродаманта, который не только захватил афинскую триеру, перебив её команду, но и сумел вывести пленный корабль из сумятицы битвы.
За этот подвиг персы впоследствии сделали Феоместора тираном Самоса.
Другой самосец, Филак, сын Гистиея, потопил корабль афинского наварха Мнесифила. За это персы внесли его в список благодетелей царя царей; таких людей они также называли оросангами .
Но успехи ионян и карийцев не смогли повлиять на ход сражения, поскольку киликияне и финикийцы, неся большие потери, продолжали отступать, смещаясь всё ближе к мысу Киносура. Там персидские суда угодили под удар эгинских и мегарских триер, которые к тому времени сумели разбить вышедшие против них вражеские корабли в самом начале сражения.
У мыса Киносура начался беспорядочный бой: одни корабли варваров спасались бегством от эгинян, стремясь обогнуть мыс, другие, двигавшиеся от мыса Киноссема, сталкивались с ними, вызывая сумятицу и переполох. Эгинцы и мегарцы безжалостно топили корабли персов, используя обходные манёвры и таранные удары. От них не отставали эвбеяне, развернувшие свои триеры широкой цепью, чтобы прижать громоздкие суда персов к скалистому берегу Киносуры. Немало их кораблей село на мель, иные напоролись на подводные камни.
Окончательный перелом в сражении наступил, когда обратились в бегство ионяне и карийцы, сражавшиеся у мыса Киноссема и возле острова Фармакусса.
Лишённые всякой поддержки, ионяне и карийцы после тяжёлого трёхчасового боя, оттянув на себя все силы афинян и пелопоннесцев, оказались в труднейшем положении. Больше двадцати их кораблей было потоплено, многие суда были повреждены.
Узость Саламинского пролива не давала возможности ионянам и карийцам показать в полном блеске своё мореходное искусство, но ещё больше узость пролива затрудняла бегство большого количества кораблей. Сталкиваясь бортами, суда ломали друг другу весла и становились лёгкой добычей эллинов, которые гнались за вражескими кораблями подобно стае голодных волков.