最终，雅典人的战略讹诈产生了效果，斯巴达人最终屈服，并率领伯罗奔尼撒城邦军队赶赴阿提卡半岛协助雅典人防御波斯军队。至于另一侧的波斯人，眼见雅典人依然不准备归附，并且希腊半岛的产出的确难以继续维持已经精简的波斯大军，故而客场作战的他们率先向南进发，并与希腊联军在维奥蒂亚地区（阿提卡半岛中部）遭遇，大战一触即发。
普拉提亚战役和米卡勒海战在斯巴达人还在犹豫不决之时，出于各个击破的考虑，波斯军队就已经先行南下奔袭雅典城了。缺乏斯巴达人支援的雅典人并没有独自抗击敌人的勇气，他们将人口和财富转移至雅典西侧的萨拉米斯岛上，留给了波斯人一座空城。波斯人很快抵达城下，并且焚毁了雅典，这对斯巴达造成了强烈的心理震动。唇亡齿寒之下，斯巴达人加快了兵力动员。
斯巴达人的动向（雅典被焚毁后数天，斯巴达人就率领伯罗奔尼撒同盟北上）让波斯人始料未及，但这并不妨碍他们下一步的部署。由于依然存在对马拉松战役的阴影，波斯人并未将决战的战场选择在雅典附近平原，虽然开阔的地形有利于骑兵迂回作战。他们之所以转战至阿提卡半岛中部的维奥蒂亚地区，是因为此处是底比斯和雅典两大强邦的传统势力分界线，而底比斯人纵然不会全心全意的支持波斯，短时间内也必定不会投向传统地缘竞争对手雅典，最终双方在普拉提亚展开大战。所谓普拉提亚，原本是指维奥蒂亚地区的一个希腊城邦，因面临底比斯的威胁而长期站在雅典一边，并在马拉松战役中曾派兵助战雅典。不过温泉关战役之后，普拉提亚就已经被波斯军队扫平了。
原本，波斯人是将防线设置在阿索普斯河北岸，这样既可以确保后方安全（底比斯控制区）、又可以发挥波斯骑兵在开阔地带的机动优势。不过希腊联军显然也明白这一点，他们背靠山地列阵，以此确保自身重甲步兵的优势。最终身处客场、急于求胜的波斯军队率先推进，并在诱敌失败之后发起总攻，却因内奸泄密（疑似马其顿人）惨遭失败。就在普拉提亚战役进行的同时，希腊海军也主动游曳至爱琴海东岸的爱奥尼亚地区，向停泊此处的波斯海军发起猛攻。此时的雅典舰队因为斯巴达人的北上，重新归队希腊海军。经过了萨拉米斯海战胜利后的希腊人，信心满满地挑起海上战火，并在米卡勒海角将波斯海军覆灭，即米卡勒海战。此战之后，希腊海军一路北上直抵达达尼尔海峡，将波斯人在欧洲的据点尽数拔除，双方开始隔海对峙。
提洛同盟与《卡里阿斯和约》经历了萨拉米斯海战、普拉提亚战役和米卡勒海战三次惨败之后，波斯帝国的第三次远征以失败告终。从此波斯帝国丧失了西扩的兴趣，却因此点燃了雅典人东扩的*。掌握了爱琴海制海权的雅典，再度燃起帮助小亚细亚半岛西侧的爱奥尼亚人同胞独立，并建立以自己为核心的政治、经贸网络的蓝图。从公元前478年开始，波希战争双方的攻守之势发生转变，以雅典为首、包括爱琴海诸岛以及小亚细亚半岛沿岸的希腊人城邦在内的“提洛同盟“成立了。
经历了三次失败之后，波斯帝国已经清楚自己的实力边界在哪里了，也可以容忍希腊半岛独立于帝国版图之外，却无法接受雅典人将自己小亚细亚半岛西部海岸线剥离出去的举动。因此，提洛同盟与波斯帝国又陷入了长达30年的拉锯之中，并最终以希腊人占据优势而告终。爱奥尼亚地区毕竟是爱琴海商业文明的传统区域，其地缘特征决定了波斯人难以占据绝对优势。如果雅典向东方内陆扩张，那么波斯人将拥有更大优势，但这并不符合海洋同盟的战略目标。最终双方于公元前449年签署了《卡里阿斯和约》，提洛同盟成功获得了爱琴海沿岸地区的殖民、贸易权力，甚至占据了达达尼尔海峡的枢纽通道。当然，希腊人也向波斯帝国承诺不会干涉和影响波斯在小亚细亚腹地和其他地中海沿岸波斯疆域的统治。
综上所述，由于爱奥尼亚叛乱和马拉松战役，雅典已经成为波斯帝国的耻辱。为了维护“万王之王”的威望和波斯帝国的稳固，大流士一世用十年时间筹备了第三次远征，并在薛西斯一世在位期间最终成行。然而虽然在陆地取得温泉关战役胜利，并一度焚毁了雅典空城，却先后遭遇了萨拉米斯海战、普拉提亚战役和米卡勒海战三次惨败，最终不得不退出希腊半岛。此后，以雅典为首的提洛同盟与波斯纠缠30年，并最终签署《卡里阿斯和约》，划分了双方的势力范围。
