两年之后,大流士一世调集10万大军第二次远征希腊波斯军在距雅40多千米的马拉草原登陆,马拉松会战开始。这是一场力量极为悬殊的较量。
当时,雅典城内仅有1万多名士兵。统帅米太亚得根据马拉松平原三面环山一面濒海,地形狭长的特点,抢先占领了战略要地,层层设防,封锁住通往雅典的道路,并派士兵中的健将斐力庇第斯去斯巴达求援。斐力庇第斯星夜赶路,整整两天两夜,跑了240千米,终于9月9日到达斯巴达。而斯巴达国王因宗教惯例,在月圆之夜不能立即发兵。

米太亚得曾在波斯军队服役,非常熟悉波斯军平原作战中央突出的特点。于是他将方阵重兵和骑兵的主力布置两翼,中间安排较弱的方阵重甲步兵来引诱波斯人的进攻。战争一开始,米太亚得指挥中间兵力边战边退,波斯骑兵步步紧逼。等到波斯主力进入伏击阵地后,雅典两翼方阵重兵和骑兵潮水般掩杀过来。波斯军队大败,从海上仓皇退走。

马拉松战役虽然失败了,但是波斯人西侵的野心还是不能收敛。公元前48年,西斯继承王位后,又开始积极备战公元前480年,薛西斯率领大军50万,战舰1200余艘又分水、陆两路向希腊进发。面临波斯军的大兵压境,包括雅典、斯巴达在内的30多个希腊城邦,组成反波斯联盟、一致推举最擅长军阵指挥、最勇猛善战的斯巴达国王列奥尼达斯为统帅。列奥尼达斯决定在温泉关阻止波斯陆军插入希腊腹地,使他们不能与海军会合。

温泉关地势险要,隘口很窄,只能容一辆战车通过,是希腊的一道天然屏障波斯人连续发动几次进攻,都被顽强的希腊联军击退波斯人死伤惨重,进军受阻就在双方僵持不下的时候,波斯人在浮虏的一名希腊联军士兵带领下,沿秘密小道插温泉关后方。
波斯军长驱直入至中希腊,占领了阿提卡。雅典军民在泰米斯托克利的领导下,同波斯军在萨拉米海湾展开了世界古代史上绝无仅有的殊死决战。经过一整天的激战,雅典海军击败了拥有1000多艘战舰的波斯海军。此战扭转了整个战争局面,奠定了希腊人胜利的基础。希腊军从防御转入进攻,战争进入后期阶段。
公元前478年,对海外利益不感兴趣的斯巴达退出战争,雅典至此取得了领导权同年冬,主张继续作战的各邦代表会聚提洛岛,正式结成以雅典为首的“海上同盟”,史称“提洛同盟”。这个同盟逐渐变成雅典同斯巴达争霸希腊的工具。与此同时,提洛同盟军队继续同波斯作战,先后占领了波斯在爱琴海域和小亚细亚南岸的许多地方。
公元前449年,雅典与波斯都无力彻底战胜对方不得不握手言和,签署了停战协定结果,波斯放弃爱琴海的霸权,允许小亚细亚希腊城邦独立。因雅典谈判代表是卡利阿斯,便把这次和平协定称为《卡利阿斯和约》。至此,希波战争以希腊,尤其是雅典的胜利而告终结。