Οι μάχες στο πέρασμα των Θερμοπυλών και οι η θυσία των Σπαρτιατών επισκιάζει τις εξίσου σημαντικές επιχειρήσεις που διεξάγονταν παράλληλα με τον αγώνα στην ξηρά. Όπως έξοχα υποδεικνύει ο Πλούταρχος η πεποίθηση των Ελλήνων για την ανωτερότητά τους έναντι των Περσών στη θάλασσα χτίστηκε από τις συγκρούσεις στα βόρεια της Εύβοιας
Ο Ξέρξης είχε συγκεντρώσει ένα στόλο από χίλια διακόσια επτά πλοία και είχε θέσει επικεφαλής τον αδελφό του Αριαβίγνη. Σύγχρονοι ιστορικοί θεωρούν ότι σε αυτό τον αριθμό είχαν υπολογιστεί τα
μεταγωγικά,οι ημιολίες καθώς και κάθε βοηθητικό σκάφος. Στο στόλο υπηρετούσαν οι παράλιοι υποτελείς του Πέρση βασιλιά. Οι Λύκιοι, οι Κίλικες, οι Κάρες, και οι Φοίνικες. Οι Ιωνες και οι Κύπριοι ναυτολογήθηκαν καταναγκαστικά και οι Πέρσες είχαν επιβιβάσει στα πλοία τους αγήματα αποτελούμενα από Πέρσες και Σάκες για να εκτελούν υπηρεσία πεζοναυτών και να επιτηρούν τα πληρώματα. Αν και Φοίνικες της Κύπρου θεωρούνται αξιόπιστοι, οι Ιωνες που είχαν επαναστατήσει πριν είκοσι χρόνια αντιμετωπίζονταν από τους Πέρσες με καχυποψία. Ο στόλος περιέπλεε τις ακτές παράλληλα με την πορεία του στρατού και εξασφάλιζε την επικοινωνία με την Ασία αλλά και την τροφοδοσία από τα σημείο ανεφοδιασμού των μετόπισθεν. Πολλοί μελετητές υποστηρίζουν ότι ένας ακόμη λόγος ήταν η επιθυμία του Πέρση βασιλιά να εποπτεύει τα πιο «ατίθασα στοιχεία» των δυνάμεων του. Μια πιο κυνική άποψη θέλει τους αξιόπιστους Φοίνικες να αποτελούν τη μέθοδο «έκτακτης ανάγκης» για τη διαφυγή του Ξέρξη στην περίπτωση που κάτι δεν πήγαινε καλά. Αν και η πορεία του στρατού και του στόλου ήταν παράλληλη όταν ξεκίνησαν από το Θερμαϊκό κόλπο χωρίστηκαν καθώς ο στρατός μπήκε στη Θεσσαλική ενδοχώρα.
Ο στόλος παρέπλεε τη θεσσαλική ακτή με μεγάλο κόπο. Ένας λόγος ήταν η άγνοια των Ασιατών πλοηγών για τα νερά και τους υφάλους. Άλλος λόγος ήταν οι προστριβές των Περσών αγηματαρχών που δεν εμπιστεύονταν τους Ίωνες πλοιάρχους με αποτέλεσμα καθυστερήσεις και ατυχήματα. Στα ανοιχτά του Πηλίου οι βόρειοι άνεμοι και η έλλειψη ασφαλών αγκυροβολίων έκαναν πολλά πλοία να ναυαγήσουν . Πολλά ακόμη έπαθαν σοβαρές αβαρίες και πολλές μοίρες διασκορπίστηκαν. Ο περσικός στόλος έφτασε στο όρμο των Αφετών στο Παγασητικό με καθυστέρηση τεσσάρων ημερών. Πολλοί ιστορικοί πιστεύουν ότι αυτός ήταν και ο πραγματικός λόγος της τετραήμερης καθυστέρησης του Ξέρξη να επιτεθεί στη φρουρά των Θερμοπυλών.
Επικεφαλής του Ελληνικού στόλου ήταν ο Σπαρτιάτης Ευρυβιάδας. Είχε πολλή από την χαρακτηριστική υπεροψία των Λακεδαιμόνιων και παραλίγο να διαλύσει το στόλο με την απρόσεχτη συμπεριφορά του. Ευτυχώς για τους Ελληνες, ο Αθηναίος ναύαρχος Θεμιστοκλής κατάφερε να τον χειριστεί έξυπνα και να κρατήσει το στόλο ενωμένο. ΟΘεμιστοκλής είχε καταφέρει μετά τη μάχη το Μαραθώνα να πείσει τους συμπολίτες του να χρησιμοποιήσουν τα έσοδα των μεταλλείων του Λαυρίου για να ναυπηγήσουν στόλο από τριήρεις. Πέτυχε αυτό το σκοπό εξορίζοντας τον πολιτικό του αντίπαλο Αριστείδη και λέγοντας ότι τα πλοία χρειάζονταν για να αποσπαστεί η κυριαρχία του Σαρωνικού κόλπου από τους Αιγινήτες. Η ανάγκη του στόλου για κωπηλάτες και η ναυτική υπηρεσία, που δεν απαιτούσε τα υπέρογκα έξοδα προμήθειας του εξοπλισμού ενός οπλίτη, επέτρεψαν την παροχή πολιτικών δικαιωμάτων στους θήτες. Έτσι θεμελιώθηκε η πολιτική άνοδος των κατωτέρων κοινωνικών στρωμάτων της Αθηναϊκής κοινωνίας.
Μετά το συνέδριο της Κορίνθου ο Θεμιστοκλής είχε στείλει στα βόρεια της Εύβοιας το φίλο του Αβρώνυχο, γιο του Λυσικλή. Αυτός ο ικανός άνδρας οργάνωσε δίκτυο πληροφοριών χρησιμοποιώντας φρυκτωρίες και ταχύπλοα σκάφη. Έτσι οι Ελληνες είχαν καλύτερη πληροφόρηση για τις προθέσεις των Περσών αλλά και για τις κινήσεις του στόλου τους. Η πρώτη επαφή με τον Περσικό στόλο ήταν ατυχής.
Τρία Ελληνικά πλοία που εκτελούσαν αποστολή αναγνώρισης έξω από τη Σκιάθο ήρθα πρώτα σε επαφή με τους Πέρσες. Ένα Αθηναϊκό για να γλυτώσει την καταδίωξη εξώκοιλε στην ακτή και το πλήρωμά του διέφυγε μέσω Θεσσαλίας. Τα άλλα δύο περικυκλώθηκαν από το ασιατικά πλοία και υπέκυψαν μετά από σύγκρουση. Πρώτο υπέκυψε ένα πλοίο που ήταν από την Τροιζήνα. Οι βάρβαροι αφού συνέλαβαν το πλήρωμα έσφαξαν πάνω στην πλώρη ένα ωραίο αιχμάλωτο νέο που λεγόταν Λέων, για να έχουν την εύνοια των θεών τους . Στο πλοίο όμως, του Ασωνίδη από την Αίγινα ένας πεζοναύτης που λεγόταν Πυθέας πολέμησε άγρια και μόνο όταν έπεσε λιπόθυμος από την αιμορραγία κατάφεραν ν α τον συλλάβουν. Οι Πέρσες, που εκτίμησαν την ανδρεία του, περιποιήθηκαν τις πληγές του και τον μετέφεραν σε δικό τους γιατρό αλλά, μεταχειρίστηκαν το υπόλοιπο πλήρωμα σαν κοινούς δούλους.
Όταν οι φρυκτωρίες μετέδωσαν τα συμβάντα, πανικός κατέλαβε το στόλο. Οι Πελοποννήσιοι ήθελαν να εγκαταλείψουν το Αρτεμίσιο και να υποχωρήσουν στον Ισθμό. Οι Ευβοείς διαμαρτυρήθηκαν έντονα για αυτή την απόφαση. Ο κίνδυνος να εκτεθούν τα πλευρά του στρατού και να υποταχθεί η Εύβοια ήταν ορατός. Απελπισμένοι οι κάτοικοι της Εύβοιας έδωσαν στο Θεμιστοκλή τριάντα τάλαντα για να κρατήσει το στόλο εκεί. Ο Θεμιστοκλής χρησιμοποίησε αυτά τα λεφτά για να εξαγοράσει τους τριηράρχους ώστε να μην ψηφίσουν υποχώρηση αλλά και για να σωπάσει τους Αθηναίους που τον κατηγορούσαν για παράνομες πρακτικές..
Την περίοδο αυτή ξέσπασαν θύελλες και όσα Περσικά πλοία δεν είχαν είχαν βρει ασφαλές αγκυροβόλιο άρχισαν να έχουν πρόβλημα. Λόγω του συνωστισμού,της απειρίας αλλά και της αδεξιότητας των επικεφαλής Περσών οι απώλειες ήταν μεγάλες. Ο Ηρόδοτος αναφέρει τετρακόσια πλοία. Πολλά από αυτά ήταν μεταγωγικά με ότι συνεπάγεται αυτό για τον περσικό εφοδιασμό. Ο Θεμιστοκλής φανέρωσε ένα χρησμό που έλεγε ότι οι Αθηναίοι θα λάβουν βοήθεια από ένα συγγενή τους και υπενθύμισε το μύθο του θεού Βορέα που είχε παντερυτεί μιά κόρη του μυθικού αθηναίου βασιλιά Κέκροπα. Οι Αθηναίοι πάντως μετά του Περσικούς Πολέμους τίμησαν ιδιαίτερα τον Βορέα τον θεό των βορείων ανέμων και αρωγό τους στις δύσκολες στιγμές. Το ηθικό είχε ανέβει και τώρα ο Θεμιστοκλής είχε το αντίθετο πρόβλημα. Έπρεπε να συγκρατεί τους τριηράρχους από το να κάνουν παράτολμες ενέργειες. Ο μεγάλος ναύαρχος δεν ξεχνούσε ότι κυρία αποστολή του στόλου ήταν η αποτροπή της υπερκέρασης του στρατού που φρουρούσε τις Θερμοπύλες.
Μία μοίρα δεκαπέντε περσικών πλοίων προερχόμενων από την Αιολίδα, την Καρία και τις Φοινικικές πόλεις της Κύπρου παρασύρθηκε από τη θαλασσοταραχή κοντά στο Αρτεμίσιο. Οι ναύτες του Ξέρξη νόμισαν ότι τα πλοία που συνάντησαν ήταν δικά τους κι έτσι συνελήφθησαν με ευκολία από τους Ελληνες. Ο Θεμιστοκλής φρόντισε να μην εκτελεστούν οι αιχμάλωτοι αλλά τους έστειλε σιδηροδέσμιους στην Κόρινθο για να πληροφορηθούν οι Ελληνες την επιτυχία και να διαπιστώσουν με τα ίδια τους τα μάτια ότι Πέρσες δεν ήταν ανίκητοι. Η τριακόντορος του Αβρώνυχου έφερε είδηση ότι οι Πέρσες είχαν αρχίσει τις επιθέσεις στο στρατό αλλά είχαν αποκρουστεί. Οι Πέρσες απέσπασαν διακόσια πλοία για να περιπλεύσουν την Εύβοια και να περικυκλώσουν τον Ελληνικό στόλο. Ο υπόλοιπος στόλος κινήθηκε κατά του Αρτεμισίου. Οι παρατηρητές ενημέρωσαν τους Ελληνες και ο στόλος βγήκε να ναυμαχήσει.
Οι στόλοι συναντήθηκαν μετά το μεσημέρι. Οι Πέρσες εκμεταλλευόμενοι την αριθμητική τους υπεροχή περικύκλωσαν τους Ελληνες. Περιφρονούσαν τον Ελληνικό στόλο λόγω του μικρού του μεγέθους αλλά τα δικά τους πληρώματα ήταν ταλαιπωρημένα από την κακοκαιρία και τα πλοία τους δεν είχαν προλάβει να αποκαταστήσουν τις αβαρίες. Ο Ελληνες σχημάτισαν κύκλο με τις πρύμνες προς το εσωτερικό το κύκλου και τα έμβολα να προεξέχουν προς τα έξω. Οι πεζοναύτες γονατισμένοι στα καταστρώματα προστατεύονται απο τις ασπίδες τους.. Τα περσικά πλοία όμως είχαν πιο πολλούς τοξότες και η ακινησία των στόχων τα ευνοούσε και σιγά σιγά θα έφθειραν τα Ελληνικά πληρώματα. Ο Θεμιστοκλής διέταξε έφοδο για τη διάσπαση το κλοιού. Τα ελληνικά πλοία κατέστρεφαν τα κουπιά των εχθρικών πλοίων με τα έμβολα και τα πλεύριζαν για να εκτελεστεί η έφοδος των πεζοναυτών. Στα σημεία που οι Ελληνες αντιμετώπιζαν Φοίνικες και Κάρες, οι οποίοι είχαν ναυτικές δεξιότητες και παρόμοιο εξοπλισμό,.οι συγκρούσεις ήταν σκληρές και η κατάσταση αμφίρροπη. Τα περσικά αγήματα όμως που ήταν επιβιβασμένα σε Ιωνικά πλοία υπέφεραν πολύ καθώς οι Ιωνες ναυτικοί εκμεταλλευόντουσαν την σύγχυση για να δημιουργήσου προβλήματα στους Πέρσες. Οι ελαφρότερα οπλισμένοι Πέρσες παρά τη γενναιότητα τους υστερούσαν στις συμπλοκές πάνω στα καταστρώματα, καθώς δύσκολα μπορούσαν να εξουδετερώσουν τους βαρύτερα θωρακισμένους Ελληνες οπλίτες.
Ο πρώτος τριήραρχος που κατάφερε να κυριεύσει εχθρικό πλοίο ήταν ο Αθηναίος Λυκομήδης του Αισχραίου, που βραβεύτηκε για αυτή του την πράξη. Οι Πέρσες δεν κατάφεραν να διασπάσουν τον αμυντικό κύκλο των Ελλήνων. Η σύγκρουση κράτησε μέχρι το ηλιοβασίλεμα. Ο αντίπαλοι αναγκάστηκαν να χωρίσουν για να αποφύγουν την επικίνδυνη σύγχυση της νυκτερινής μάχης Οι Ελληνες κυρίευσαν τριάντα εχθρικά πλοία. Οι Πέρσες αποσύρθηκαν προς του Αφέτες και οι Ελληνες προς το Αρτεμίσιο. Ένα Ιωνας τριήραρχος στην υπηρεσία. Περσών, ο Αντίδωρος από τη Λήμνο αυτομόλησε στους Ελληνες και οι Αθηναίοι τον βράβευσαν γιαυτό. Οι Ελληνες είχαν αναθαρρήσει καθώς είχαν διασπάσει τις εχθρικές γραμμές σε κάποια σημεία και η αριθμητική υπεροχή των Περσών ήταν μεγαλύτερο πρόβλημα από τα οφέλη που προσέφερε. Τα τριάντα αιχμαλωτισμένα σκάφη, μαρτυρούσαν τις ανώτερες ναυτικές ικανότητες των Ελλήνων που έπαψαν πια να φοβούνται τους αντιπάλους τους.
Τη νύχτα ο καιρός χάλασε και άρχισε να βρέχει. Ο αέρας παρέσυρε τα συντρίμμια και τα πτώματα της ναυμαχίας προς τα Περσικά αγκυροβόλια. Πολλά πτώματα μπλέχτηκαν στα περσικά κουπιά. Το τρομερό θέαμα καταρράκωσε το ηθικό των Ασιατών, ειδικά των τμημάτων του πεζικού που φρουρούσαν τις ακτές που είχαν καταληφθεί απότους Πέρσες. Την ίδια νύχτα μια ξαφνική καταιγίδα ρήμαξε τη περσική μοίρα που είχε αποσπαστεί για να περικυκλώσει τον Ελληνικό στόλο.
Την επόμενη μέρα, τα πενηντα τρία ελληνικά πλοία που παρέμεναν εφεδρεία στον πορθμό του Ευρίπου έφτασαν στο ελληνικό αγκυροβόλιο και έφεραν την είδηση της περσικής συμφοράς. Οι Ελληνες ενθαρρυμένοι ευχαρίστησαν τους θεοποιημένους ανέμους και ετοιμάστηκαν να βγουν και να ναυμαχήσουν στα ανοικτά. Αντίθετα οι Πέρσες είχαν σκοπό να μην κάνουν τίποτα προτού αποκαταστήσουν τις βαριές ζημιές των πλοίων τους. Για προστασία του ελλιμενισμένου στόλου οι Πέρσες είχαν τοποθετήσει στην εξωτερική περίμετρο τους Κίλικες. Οι Κίλικες είχαν ναυτική δεξιότητα και έφεραν οπλισμό παρόμοιο με τον ελληνικό. Δεν ήταν λά