آرتمیس در سال ۴۸۰ پیش از میلاد، در جنگ سالامیس که بین نیروی دریایی ایران و یونان در گرفت، شرکت داشت. قبل از شروع جنگ دریایی سالامیس، خشایار شا از همهٔ امیران محلّی و فرماندهان دریایی نظر شان را راجع به جنگ دریایی خواسته بود. پاسخها تماماً در تأیید جنگ دریایی با نیروی بحریه یونان بود مگر نظر آرتمیس. او گفت «من که در تمامی نبردهای شاه به لحاظ شجاعت و فداکاری از احدی کمتر نبودهام، عرضم این است که نیروهای خود را بی جهت تلف نکنید و از رزم دریایی احتراز جوئید زیرا یونانیان در کار دریا برتری دارند. چه الزامی در این کار است؟ مگر سایر نقاط یونان در ید اقتدار شاه نیست؟ دیگر احدی در مقابل پادشاه امکان اظهار وجود ندارد. آنها که تاکنون با شهریار ما در افتادهاند، بطوری که سزاوار بوده، همه سرکوب شدهاند. نیروها را همانجا که همین اکنون مستقر هستند، باقی بگذارید. خواه تا پلوپونز (یونان جنوبی) پیش بتازید یا در همین جا بمانید، باز مقصود همایونی حاصل است و یونانیها قدرت ندارند که در مقابل عظمت و سطوت شهریاری استقامت و پایداری کنند. من نگران آن هستم که شکست در این جنگ دریایی، شکست در دیگر جبههها را در پی داشته باشد.»
«نکتهٔ دیگری هم هست. شهریاران بزرگ غالباً ندیمانی ناباب دارند و سروران بد را چاکران شایسته خدمتگزارند. شاهنشاه که برترین سرور جهان است، چاکران شایسته و باکفایتی ندارد. کسانی که عنوان دستیاران شاهی را دارند یعنی سرکاران مصری ، قبرسی ، کیلیکی (ایالتی باستانی در آسیای صغیر) و پامفیلگی (ایالتی باستانی در آسیای صغیر) افرادی باطل و بی اثر بیش نیستند.»
وقتی دوستان آرتمیس این بیانات را شنیدند، میپنداشتند که خشایارشا او را بمناسبت سعی در ترغیب شاه به انصراف از جنگ مجازات خواهد کرد لیکن شاهنشاه از جواب آرتمیس خوشنود گردید. باوجوداین فرمان بر آن شد که رأی اکثریت به کار بسته شود و خود شاه شخصاً ناظر جریان جنگ باشد.
جنگ سالامیس

آرتمیس پنج کشتی فراهم ساخته که در بحریهٔ خشایار شا بعد از ناوهای فنیقی از معروفترین به شمار میرفتهاست. هرودوت در این باره مینویسد در هنگام نبرد آرتمیس در حالی که کشتیهای آتنی در تعقیب او بودند و فرارش از آن تنگنا غیر ممکن میرسید، چارهای اندیشید. او یک کشتی همدست را از کار انداخت. با غرق کردن این کشتی آرتمیس با یک تیر دو نشان زد زیرا فرماندهٔ کشتی یونانی با مشاهدهٔ صدمهای که آرتمیس به کشتی پارسی وارد ساخته بود، پنداشت که با یک کشتی یونانی طرف است بنابراین از تعقیب او باز ایستاد و هدف دیگری را تعقیب کرد. از طرف دیگر بر قدر و احترام خویش در پیشگاه خشایار بیفزود زیرا نقل کردهاند که خشایار که شخصاً ناظر عملیات جنگی بود، آن جریان توجهش را جلب کرد و یکی از ندیمان عرض کرد «اعلیاحضرتا، ملاحظه می کنید آرتمیسیا با چه مهارتی نبرد می کند؟ او یکی از کشتیهای دشمن را از کار انداخت.» خشایار پرسید «آیا واقعاً او آرتمیس است؟» مخاطب پاسخ داد «هیچ گونه شکی نیست زیرا علامت جهاز او برجسته و پیداست.» هر چند که خیال می کرد، کشتی دشمن را صدمه زده است. میگویند شاه با مشاهدهٔ آن صحنه فرمود «مردانم زن شدهاند و زنها مرد.»
در داستانی که هرودوت درباره غرق کردن کشتی خودی توسط آرتمیس بیان کرده، تناقضاتی به چشم می خورد. در چنین جنگ عظیمی که صدها کشتی جنگی از هر دو طرف شرکت داشته اند، انتظار می رود که مانند هر پیکار دیگری، کشتیهای طرفین جنگ، پرچم و علامتهای مخصوصی به همراه داشته باشند، تا قوای دوست از دشمن قابل تفکیک باشد. همچنین بعید به نظر میرسد واقعیت چنین حادثهای همزمان هم از نظر سپاهیان یونانی و ایرانی حاضر در میدان جنگ و هم از نظر شاه و همراهانش که در ارتفاعات مشرف به میدان جنگ سالامیس ناظر بودهاند، پنهان مانده باشد. اگر همراهان خشایار در فاصله ای بودهاند که بتوانند یک زن را از مرد تشخیص بدهند، چطور در تمیز دادن یک کشتی خودی، از کشتی دشمن دچار خطای دید، شده اند.
بطورکلی در ذکر وقایع پیرامون آرتمیس، توسط هرودوت، حس مباهات و ستایش از یک زن شجاع و باقدرت که همشهری او بوده و تمایل جهت دور کردن احساس خشم و کینه توزی یونانیان برعلیه آرتمیس، توأماً دیده می شود. این احتمال می رود که هرودوت با تمحیداتی سعی در برآوردن هر دو خواستهٔ خود کرده باشد.
توصیه به خشایار شاه جهت بازگشت شاه به ایران

بعد از شکست ایران در جنگ سالامیس مردونیه به خشایارشا پیشنهاد داد که بهتر می داند که شخص شاه در یونان بماند و رهبری جنگ را بعهده بگیرد ولی اگر ارادهٔ شاه مبنی بربازگشت باشد، پیشنهاد دیگر او این بود که سیصد هزار تن از سپاهیان را در یونانی باقی گذاشته و رهبری این لشکر را به مردونیه واگذارد. خشایارشا دراین باره نیز با آرتمیس مشورت کرده و آرتمیس رأی به بازگشت شاه به ایران و سپردن امور جنگ را به مردونیه داد.
آرتمیس گفت «با وجود این شرایط اضطراری حاضر، به نظر من شاهنشاه، یونان را ترک و مردونیه را با عده ای که خواسته و به خدمتی که داوطلب شده است، مأمور فرمایند و این منوط به آن است که او واقعاً شایستگی انجام چنین مأموریتی را داشته باشد. اگر نقشهٔ او نتیجه بخشید و موفق شد باز ظفر و کامیابی همایونی است و هرگاه او به مقصود خود نرسد تا وقتی که وجود عزیز پادشاه سلامت باشد و خطری متوجه خاندانت نشود، یونانی ها برای ادامهٔ زندگی و بقای حیات خویش باید مدتها رنج بکشند. از شکست مردونیه غمی نیست چون او یک غلام شاهی بیش نیست و هرگاه یونانیها بر او دست یابند، هنری نکردهاند اما راجع به وجود مقدس همایونی باید عرض کنم که در عین کامیابی به وطن برمی گردید، چون آتن را به آتش کشیده اید.» خشایارشا نظر آرتمیس را پذیرفته و به ایران بازگشت.