Όσα πλοία δεν είχαν καταστραφεί κατέπλευσαν στην Κύμη και τη Σάμο, ενώ το πεζικό των Περσών, υπό τον Μαρδόνιο, πέρασε τον χειμώνα στη Θεσσαλία.
Η αρχηγεία του στόλου παρέμενε στα χέρια των Σπαρτιατών, οι οποίοι απέρριψαν την εισήγηση του Θεμιστοκλή για άμεση καταδίωξη των Περσών μετά τη Σαλαμίνα. Ο Μαρδόνιος έστειλε τον βασιλιά των Μακεδόνων Αλέξανδρο Α΄ να προτείνει ειρήνη στους Αθηναίους, με αντάλλαγμα την ανοικοδόμηση της πόλης και τη γενική αρχηγεία της Ελλάδας. Σε διαφορετική περίπτωση απειλούσε ότι θα κατέστρεφε την πόλη.
Ο Ηρόδοτος παραθέτει την απάντηση των Αθηναίων:
«Όσο ο Ήλιος συνεχίζει την πορεία του στον ουράνιο θόλο, δεν θα συνάψουμε συμμαχία με τον Ξέρξη, αλλά θα τον αντιμετωπίσουμε θαρραλέα εμπιστευόμενοι τη βοήθεια των θεών και των ηρώων, των οποίων τα ιερά εκείνος βεβήλωσε. Όσο παραμένει στη ζωή και ένας Αθηναίος, δεν θα υπάρξει συμφιλίωση με τον Ξέρξη».
Ο Μαρδόνιος συγκέντρωσε στρατό και έκανε νέα εκστρατεία εναντίον της Αθήνας, έχοντας στο πλευρό του τους Λοκρούς, τους Βοιωτούς και τους Φωκαείς. Έστησε πύργους στα νησιά για να μεταφέρει το μήνυμα της νίκης και εισέβαλε στην Αττική, προτείνοντας συμβιβασμό για τελευταία φορά. Στο συμβούλιο των Αθηναίων, ο Λυκίδας υποστήριξε τη σύναψη ειρήνης με τους Πέρσες και λιθοβολήθηκε επί τόπου μέχρι θανάτου. Ανάλογο τραγικό τέλος είχε και η οικογένειά του.
Μάχη της Μυκάλης: Οι Έλληνες περνούν στην επίθεση
Την άνοιξη, όταν τα περσικά και τα ελληνικά στρατεύματα συγκεντρώνονταν στην πεδιάδα των Πλαταιών, ο ελληνικός στόλος των 110 πλοίων έπλεε προς τη Δήλο. Επικεφαλής παρέμεναν οι Σπαρτιάτες, ενώ αρχηγός των Αθηναίων ήταν ο Ξάνθιππος, ο οποίος είχε επιστρέψει από την εξορία στο πλαίσιο της αμνηστίας για την αντιμετώπιση του μηδικού κινδύνου.
Οι Ίωνες είχαν ζητήσει βοήθεια για να διώξουν τους Πέρσες και κάλεσαν τους Έλληνες στη Σάμο.
Ο προορισμός ήταν σχεδόν άγνωστος για τον ελληνικό στόλο που έπλεε σε αχαρτογράφητα νερά. Την ίδια ανησυχία, όμως, είχαν και οι αντίπαλοί τους, οι οποίοι δίσταζαν να πλεύσουν δυτικά και συγκεντρώθηκαν στις ακτές της Σάμου, υπό τις διαταγές των Μαρδόντη, Αρταϊνη και Ιθαμήτρου.
Μόλις έφτασε η πληροφορία της έλευσης του ελληνικού στόλου, τα 300 πλοία των Περσών υποχώρησαν στη Μυκάλη, προκειμένου να ενωθούν με τον στρατό του Τιγράνη στην ανατολική ακτή. Τα πλοία αγκυροβόλησαν και οι Πέρσες άρχισαν να κατασκευάζουν τοίχοι από πέτρες και δέντρα.
Ο Σπαρτιάτης Λεωτυχίδης, συνυπολογίζοντας τις εκκλήσεις των ιωνικών πόλεων που ήθελαν να αποτινάξουν τον περσικό ζυγό, αποφάσισε την εκτέλεση μιας καταδρομικής επίθεσης. Για πρώτη φορά, οι Έλληνες περνούν από την άμυνα στη επίθεση.
Στα 110 ελληνικά πλοία υπήρχαν περίπου 5 χιλιάδες άνδρες, ενώ το σύνολο των περσικών δυνάμεων μαζί με τους συμμάχους και τους υποτελείς τους ξεπερνούσε τις 50 χιλιάδες. Ο Λεωτυχίδης, μάλιστα, έπλευσε κοντά στις εχθρικές γραμμές και κάλεσε τους Ίωνες που βρίσκονταν στο αντίπαλο στρατόπεδο να αναλογιστούν την ελευθερία τους. Με ψυχολογικά μέσα και σπαρτιατική τακτική, ξεκίνησε η απόβαση στη Μυκάλη, με πρώτους τους Αθηναίους, υπό τον Ξάνθιππο, να πέφτουν στον τοίχο των πασσάλων που είχαν στήσει οι Πέρσες. Οι Σπαρτιάτες είχαν αποστολή να περάσουν μέσα από τα βουνά της Μυκάλης για να περικυκλώσουν τους Μήδους. Τις ελληνικές δυνάμεις συμπλήρωναν άνδρες από την Κόρινθο, τη Σικυώνα, την Τροιζήνα, τα Μέγαρα και την Αίγινα.
Όταν οι Σπαρτιάτες έκαναν την κυκλωτική κίνηση και πλαισίωσαν τους Αθηναίους που μάχονταν ήδη, το μηδικό μέτωπο άρχισε να διαρρηγνύεται.
Οι λιποτάκτες αποδεκατίστηκαν από τους Μιλήσιους που περίμεναν την έκβαση της μάχης, ενώ οι Πέρσες απέμειναν μόνοι τους να υπερασπίζονται τα πλοία τους. Τα περισσότερα πυρπολήθηκαν από τους Έλληνες που συνέτριψαν τους αντιπάλους τους, μετρώντας και αυτοί όμως βαριές απώλειες. Λέγεται πως πριν από τη μάχη έφθασε η είδηση της νίκης στις Πλαταιές μέσα από τις φρυκτωρίες που είχε στήσει ο Μαρδόνιος.
Το ιωνικό ζήτημα
Την επομένη, το ζήτημα που ανέκυψε ήταν το μέλλον των αποικιών στα παράλια. Στη σύσκεψή της Σάμου, Αθηναίοι και Σπαρτιάτες συμφώνησαν ότι δεν ήταν εφικτό να υπάρχει μόνιμη παρουσία στόλου για την προστασία των ακτών. Τότε οι Σπαρτιάτες πρότειναν να μετοικήσουν οι Ίωνες σε παράκτιες περιοχές στην ηπειρωτική Ελλάδα και να παραχωρηθούν τα μικρασιατικά παράλια στους Πέρσες, μαζί με νησιά του ανατολικού Αιγαίου.
Το σκεπτικό ήταν να γίνει ένας διαμοιρασμός της περιοχής με τους Πέρσες, ώστε να λήξει οριστικά η διαμάχη ανάμεσα στις δυο πλευρές.
Την πρόταση απέρριψαν οι Αθηναίοι, οι οποίοι αισθάνονταν ηθική υποχρέωση απέναντι στους Ίωνες και ταυτόχρονα, επιθυμούσαν την εκπροσώπηση των Ιώνων στο συμβούλιο, ώστε να περιορίσουν την υπεροχή των Σπαρτιατών.
Οι Σπαρτιάτες δεν επέμειναν και στη συνέχεια, οι Έλληνες έπλευσαν προς τον Ελλήσποντο για να καταστρέψουν τη γέφυρα με την οποία είχαν περάσει οι Πέρσες στις ευρωπαϊκές ακτές. Όμως, τους είχε προλάβει η κακοκαιρία κι έτσι οι Σπαρτιάτες αποφάσισαν να πάρουν τον δρόμο της επιστροφής. Αντίθετα, οι Αθηναίοι πολιόρκησαν την πόλη Σηστό, η οποία ήλεγχε το πέρασμα προς τη Μαύρη Θάλασσα, απ΄ όπου έρχονταν σημαντικά εμπορεύματα και κυρίως δημητριακά. Μετά από μια δύσκολη πολιορκία, οι Αθηναίοι κατέλαβαν και λεηλάτησαν την πόλη σταυρώνοντας τον Πέρση τοποτηρητή Αρταϋκτη στο σημείο όπου ο Ξέρξης είχε διατάξει να φτιαχτεί η γέφυρα για τη διάβαση των στρατευμάτων του, τμήμα της οποίας πήραν ως λάφυρα οι νικητές.
Αυτή ήταν και η τελευταία πράξη των μηδικών πολέμων και η απαρχή της αθηναϊκής κυριαρχίας.