Когда греки узнали о том, что персы погрузили на суда конницу с целью произвести внезапный рейд на Афины, было решено не медлить. Мильтиад усилил фланги и повел афинян в атаку, причем последний отрезок пути греки бежали в тяжелом вооружении (что свидетельствует об их отличной физической подготовке) с целью уменьшить потери от действий персидских лучников. План Мильтиада блестяще удался: персы обратились в бегство, оставив на поле боя около 6 тысяч человек, афиняне потеряли 192 гоплита. Конечно, персы вообще и даже экспедиционный корпус не были полностью разгромлены: они попытались, обогнув Аттику, высадиться в Афинах, и только спешное возвращение афинского войска заставило их убраться восвояси.
Военное, да и моральное значение Марафонской победы (490 г. до н. э,) было огромным. Один греческий полис, Афины, смог успешно противостоять экспедиционному корпусу «великого царя»; персы имели численное превосходство (20 тысяч против 12 тысяч афинян и платейцев) и, несмотря на это, были разгромлены. Марафон был не просто победой греков над персами, он продемонстрировал жизнеспособность молодой еще афинской демократии. Не стоит забывать, что персов сопровождал свергнутый афинянами тиран Гиппий, который рассчитывал вернуться к власти. Эффективной оказалась и система коллективного руководства афинским войском: десять избранных стратегов во главе с координатором — архонтом-полемархом. В момент битвы руководство осуществлял наиболее опытный стратег — Мильтиад Младший, что в значительной степени и предопределило исход сражения.
Рост самосознания афинского демоса парадоксальным образом сказался на судьбе его аристократических лидеров. Марафонский победитель Мильтиад после неудачной экспедиции на Парос был присужден к штрафу и умер от ран в 489 г. до н.э. С 487 г. до н. э. стал активно применяться введенный Клисфеном остракизм: изгнанию подверглись как родственники и сторонники тиранов, так и другие аристократы. Политическую группировку, выступавшую за превращение Афин в морское государство с сильным флотом, возглавил Фемистокл, противником его был выражавший чаяния аттических крестьян Аристид. Археология свидетельствует о зачатках политической пропаганды в этот период: в колодце на агоре было обнаружено 190 черепков с именем Фемистокла, написанных лишь 14 различными почерками. Однако в 80-е гг. V в. до н. э. политика Фемистокла взяла верх: Аристид был изгнан. Немаловажную роль сыграла персидская опасность: после смерти Дария в 486 г. до н. э. взошедший на престол Ксеркс начал исподволь готовиться к новому походу на Грецию.
В 483 г. до н. э. в Лаврии на юге Аттики было обнаружено новое богатое серебром месторождение. Обычно доход от эксплуатации делился между гражданами, но Фемистоклу удалось убедить народное собрание использовать эти деньги на постройку 200 триер— быстроходных военных кораблей. Прекрасный политик, Фемистокл использовал для убеждения сограждан не угрозу со стороны далекой Персии, а вражду с соседней Эгиной, что было гораздо нагляднее (остров Эгина хорошо виден с афинского акрополя). Богатые граждане были назначены триерархами (командирами кораблей) и должны были участвовать в их оснащении собственными средствами. В результате Афины стали крупнейшей морской державой Греции: их флот впятеро превышал коринфский. Можно напомнить, что самый большой флот послал против персов в 494 г. до н. э. Хиос — 100 кораблей. Это с неизбежностью должно было повлечь в будущем изменения и в социальной сфере: беднейшая часть граждан, которая не могла приобретать гоплитское вооружение, приобретала теперь больший политический вес, и не случайно Фемйстокла позднее упрекали в том, что он вывел на политическую арену Афин «корабельную чернь».
В 481 г. до н. э. на общегреческом съезде в Коринфе было принято решение о совместной борьбе против персов. Однако только треть греческих полисов заняла активную антиперсидскую позицию (впрочем, среди них — Спарта вместе с Пелопоннесским союзом и Афины), остальные были дружественны персам либо предпочли соблюдать нейтралитет. В обход Афона персы прорыли канал, чтобы обезопасить свой флот от бури. Вначале греки рассчитывали оборонять северные проходы в Фессалию, но из-за проперсидской позиции фессалийской знати от этого плана пришлось отказаться.
Передним рубежом обороны были избраны Фермопилы — узкий проход между горами и морем, соединявший Северную и Среднюю Грецию (теперь из-за понижения уровня моря он стал гораздо шире). Немногочисленный (несколько тысяч) отряд греков под руководством спартанского царя Леонида успешно оборонял Фермопилы от 200-тысячного войска Ксеркса, пока предатель не провел персов горными проходами в тыл грекам. Леонид и триста спартанцев пали в бою, но задержали персов. Это позволило эвакуировать Аттику (большинство мирных жителей было перевезено в Трезену на Пелопоннесе), а греческим силам укрепить Истм — главный рубеж обороны. Греческий флот также отступил к острову Саламин у берегов Аттики.