Весной 479 года Мардоний получил подкрепления и вновь занял Афины. Однако в том же году в Малой Азии у мыса Микале греческий флот под командой спартанского царя Леонтихида и афинянина Ксантиппа, благодаря измене служивших у персов моряков из числа ионийских греков, сжег остатки персидского флота. Лишенный снабжения, Мардоний вынужден был оставить Афины и принять сражение у города Платеи в Беотии с объединенным греческим войском во главе со спартанским царем Павсанием. В этом сражении афиняне имели 8 тысяч гоплитов и столько же легковооруженных воинов. Примерно такой же по численности армией располагали спартанцы. Мардоний был убит в самом начале сражения, что дезорганизовало его войско. Большая часть персидской армии и ее греческих союзников (фессалийцев, беотийцев и др.) погибла или была пленена. В целом же судьбу греко-персидских войн решили сражения не на суше, а на море. Вскоре после битвы при Платеях были взяты Фивы – крупнейший греческий город, вставший на сторону персидского царя.
В 478 году Афины создали Делосский морской союз (по имени острова Делос – места сбора союзного флота и хранения союзной казны). В дальнейшем война проходила за пределами Греции. В 468 году афинский полководец Кимон одержал победу над персами у реки Эвримедонта на южном побережье Малой Азии. Однако соперничество Спарты и Афин привело к войне между ними, что ослабило греков. В 454 году отборный афинский флот, посланный на помощь восставшим против власти персов египтянам, был полностью уничтожен в дельте Нила. Вскоре был истреблен и отряд афинян, выдержавший полуторагодичную осаду на одном из островов в дельте Нила. Персы отвели воду из одного из рукавов реки и смогли атаковать осажденных по суше. В 449 году афиняне взяли реванш, одержав победу в двойном, сухопутном и морском, сражении у кипрского города Саламин. В том же году греко-персидские войны завершились Каллиевым миром (по имени главы греческой делегации). Он был подписан в Сузах. Персидский царь вынужден был отказаться от гегемонии в бассейне Эгейского моря и признал автономию греческих полисов Малой Азии.
В ходе греко-персидских войн выяснилось, что наиболее мощным боевым построением на суше является фаланга – сомкнутый строй тяжеловооруженных пехотинцев – гоплитов, главным оружием которых было двухметровое копье – сарис. Они имели также большой круглый деревянный щит «гоплона», обтянутый кожей или плотным полотном. Гоплиты были вооружены также короткими мечами и имели металлические шлемы, панцири и поножи. Глубина фаланги составляла от 8 до 16 рядов, а один ряд мог насчитывать до тысячи человек, что давало ширину фронта до 500 м. Фаланги формировались из наиболее состоятельных граждан греческих полисов. Менее состоятельные граждане, а также неграждане-метейки формировали вспомогательные отряды пращников и лучников, без тяжелого вооружения, а также экипажи морских судов.
Нарушившая строй фаланга обрекалась на поражение перед неприятельской конницей и пешими лучниками. Фаланга могла действовать только на равнинных участках местности, без холмов и оврагов. Такие участки в Греции были невелики по площади. На них еще могла развернуться фаланга в несколько тысяч человек, но для отрядов конницы, действовавшей в рассыпном строю, не хватало места для маневра. Дисциплина фаланги была дисциплиной гражданской общины греческого полиса.
