战争的第一阶段（公元前492~前479年），公元前492年，波斯派海陆大军沿色雷斯海岸向希腊进军。水路在阿陀斯海角遭风暴覆灭，陆军受色雷斯人的袭击，第一次远征失败。
公元前490年，波斯发动了第二次远征，从小亚细亚横渡爱琴海，攻占爱勒特里亚，继而南进，直攻中希腊的阿提卡半岛，在距雅典城东北40多千米的马拉松平原登陆。在这万分危急的形势下，雅典动员了所有公民，甚至把奴隶也编入军队，此外还得到小城布拉底千名援兵，共万余人，面对传说的10万波斯军，由米太雅得率军应战。雅典军队占据有利地形，列长方阵，以主力集中于两翼。两军战斗时，雅典中军后撤，而两翼则突破波军的弓箭射击，致使波斯军阵容大乱，雅典军队乘胜追击，波斯终于失败。马拉松战役成为古代战争史上以少胜多的范例之一，这一胜利有力地鼓舞了希腊人胜利的信心。此役胜后，米太雅得派一名善于长跑的士兵斐迪皮德回雅典城报捷，斐迪皮德抵城后，只说了“我们胜利了”一语，就因跑得太急而死去。后世为纪念此事，举行马拉松赛跑。
此后10年双方紧张备战。公元前480年，波斯动员了更多的兵力，第三次远征希腊。波斯军渡赫勒斯滂海峡后，分水陆两路进攻。希腊联军推选斯巴达国王为统帅，陆军以斯巴达为主力，海军以雅典为主力，与波斯军决战。当波斯军占领了北希腊向中希腊进发时，斯巴达国王李奥尼达率三百斯巴达战士扼守温泉关（德摩比利），英勇抗战，后因叛徒投敌，被波斯军包抄，众寡悬殊，除因故不在战场的两人外，全部阵亡，表现了高度的爱国主义精神。温泉关失守后，波斯军南下直驱阿提卡，攻占了居民事先已全部撤离的雅典城。这时，以雅典舰队为主力的希腊海军，对比了敌我情况，选择了狭窄的萨拉米海湾作为战场，用计引诱波斯舰队开入海湾。多于希腊3~4倍体大的波斯战舰运转不灵，希腊人遂掌握了战场的主动权。在小巧玲珑的希腊舰只的猛烈攻击下，波斯舰只不是自相撞沉，就是搁浅在沙滩上，几乎被希腊海军全部歼灭。波斯的陆军主力也退回北希腊。次年，希腊联军又击败了留驻的波斯陆军，继而又在小亚细亚的米卡尔海角击败了波斯的海军。第一阶段的战争遂以波斯的失败而告终。
战争的第二阶段（公元前479~前449年），希腊已失去自卫性质，而转化为双方争夺爱琴海霸权的战争。波斯军被逐出巴尔干半岛后，公元前478年，雅典向黑海海峡进攻，占领赫勒斯滂北岸的要塞塞斯托斯，又与爱琴海各岛和小亚细亚各邦组成海上同盟。雅典陆军在小亚细亚的欧律墨冬河口附近大败波斯军，海军在地中海塞浦路斯岛东海岸也大败波斯军，波斯已无力再战。公元前449年，雅典派全权代表卡里阿斯签订了和约，波斯放弃对爱琴海和黑海一带的统治，承认小亚细亚西岸希腊诸邦的政治独立。雅典从此成为爱琴海上的霸主，希波战争结束。
希波战争是小国联合起来打败大国的范例。在主要的第一阶段战争里，希腊人之所以取胜，原因在于他们进行的是正义的自卫战争，有一支士气高昂的军队，加上战略战术上也较为机动灵活。波斯之所以失败，因为他们进行的是非正义的侵略战争，他们的军队无斗志，劳师远征，不熟地形，补给困难，加上指挥不当，波斯表面上的强势必转化为弱势。通过这次战争，希腊解除了波斯帝国对它的军事威胁，获得了自由和独立。