Bitka
Prvi dan bitke
Grci su onda odlučili da posle ponoći otplove u susret persijskim brodovima koji su plovili oko Eubeje. Osim toga krenuli su i u napad na većinu persijske flote. Persijanci su smatrali da će se lako obračunati sa mnogo manjom atinskom flotom. Opkolili su atinsku flotu. Opkoljeni Grci su kljunove lađa okrenuli Persijancima, a krme prema sredini i onda su krenuli u napad na malom prostoru. Zarobili su trideset persijskih brodova. Pošto su pobedili Grci su se vratili u Artemizij, a Persijanci u Afetu. Persijanci su pre te pomorske bitke doživeli brodolom, a nakon bitke je padala jaka kiša.
Drugi dan bitke
Persijska flota od 200 brodova, koja je plovila oko Eubeje potopljena je tokom jakog nevremena. Grcima je stiglo pojačanje od 53 atička broda. Grci su opet napali persijske brodove iz Kilikije i sve su ih uništili. Nakon pobede vratili su se u Artemizij.
Velika bitka trećega dana
Trećega dana Persijanci su izašli sa celom flotom. Bitka se odvijala istovremeno kada i bitka kod Termopila. Kod Termopila su Grci sprečavali kopneni prodor Persijanaca, a kod Artemizija su sprečavali pomorski prodor. Persijska flota je plovila u borbenom poretku, pa su zauzeli borbenu formaciju u obliku polumeseca, nameravajući da opkole grčke brodove. Grčki brodovi su krenuli prema njima i došle je do bitke. Persijski brodovi su se isprečavali jedan ispred drugoga i sudarali se, ali se nisu povlačili. I Grci i Persijanci imali su velike gubitke i u brodovima i u ljudstvu. Nakon toga povukle su se obe flote. Na persijskoj strani istakli su se Egipćani, a na grčkoj Atinjani.
Povlačenje Grka
Grci su imali velike gubitke, a naročito Atinjani, kojima je pola brodova oštećeno, pa su odlučili da se povuku u unutrašnjost Grčke. Saznali su i da su Persijanci pobedili u Termopilskoj bici. Nakon toga držanje artemizijskog moreuza nije imalo značaj kao pre Termopilske bitke, pa su se Grci odmah povukli.
