爭奪塞浦路斯
雖然失去了希臘本土的外援，但愛奧尼亞人沒有放棄。他們很快組織了第二階段行動。聯軍艦隊向北攻下了赫勒斯滂海峽附近被波斯人佔領的城邦，打通前往黑海的航線。黑海對於希臘殖民者意味着財富與希望。烏克蘭地區出產的糧食，黑海東岸和南岸出產的貴重金屬，黑海以北森林出產的木材。還有色雷斯，斯基泰僱傭軍都是寶貴的戰略資源。黑海地區的物產能支持他們與外敵進行長期周旋。
隨後他們藉助早已鋪墊好的關係，向南發動起卡里亞、密西亞、塞浦路斯等愛琴文明後裔加入起義隊伍。愛奧尼亞起義者的計劃是控制盛產銅礦的塞浦路斯，並可以牽制親波斯的腓尼基艦隊北上。如果卡里亞和塞浦路斯人能牽制住腓尼基人，那麼未來甚至可以繼續向南活動，策動物產豐富，但是起義不斷的埃及加入行動。
塞浦路斯的希臘人是邁錫尼文明的倖存者，他們使用古老的線形文字，說阿卡迪亞-塞浦路斯希臘方言。到公元前6世紀末，塞浦路斯島上的十個城邦中，除了阿瑪蘇斯之外，其他城邦都是邁錫尼後裔。果然，塞浦路斯希臘人紛紛起兵，在親希臘的薩拉米斯王國歐涅西洛斯的帶領下，羣起圍攻塞浦路斯島上惟一的腓尼基城邦阿瑪蘇斯，發泄對波斯的不滿,臨近的一些民族也開始蠢蠢欲動起來。
爲了防止更多民族捲入起義，於是波斯決定以塞浦路斯爲起點，系統性地組織反擊。公元前496年，波斯陸軍在塞浦路斯島北端登陸，腓尼基艦隊也靠近了塞浦路斯。愛奧尼亞海軍主力聞訊後，在3天內從基地出發，火速航行400英里增援塞浦路斯人。雙方在塞浦路斯的薩拉米斯城邦附近，展開了激烈的薩拉米斯之戰。
戰役分海陸戰場展開。在一番血戰之後，已經逐步裝備大量划槳戰船的希臘海軍成功擊敗了腓尼基的圓底戰艦，取得了第一次海戰勝利。但是陸戰卻很不樂觀。在軍事戰法上，塞浦路斯的希臘人保留了祖先傳統，崇尚英雄間的單挑決鬥與個人武藝，認爲只要斬殺了敵將就贏得了戰鬥。
在激戰中，歐涅西洛斯帶領親兵和精銳武士突入波斯人的陣型，在混戰中憑藉高超的武藝，像史詩英雄一樣一對一決鬥，將波斯主將阿爾提比奧斯斬於馬下。但是久經沙場的波斯人並沒有因爲喪失主帥而立即全盤崩潰。相反是一番激戰後，因爲傷亡過於慘重，塞浦路斯人自己的陣腳鬆動。甚至有城邦的貴族當場駕着戰車前往波斯軍投降，或者駕着戰車撤退。
結果深陷敵陣的歐涅西洛斯反而被當場斬殺，首級被阿瑪蘇斯人掛在城門上示衆。在陸戰失敗後，塞浦路斯的希臘城邦陸續淪陷。最頑強的索羅斯城邦在抵抗5個月後，被波斯人用地道戰攻陷。至此，愛奧尼亞聯軍雖然奪回了對赫勒斯滂、拜占庭的控制權，獲得了物產來源，但把起義向南推進到埃及已不可能。雙方就此進入相持階段。
卡里亞戰役
密西亞人和卡里亞人是克里特文明的殖民者登陸小亞細亞後，與當地土著結合的後代。他們的建築遺址與文物有着濃郁的克里特和邁錫尼風格。在公元前8世紀，這些人一度以航海技術讓人忌憚，後來他們又加入希臘僱傭軍團，爲埃及呂底亞等勢力服務，能提供與希臘風格類似的重步兵，被希臘人稱爲“戰鵝”。
在波斯人馬不停蹄地向卡里亞進軍時，卡里亞城邦將軍隊集結在馬爾西亞河岸，開會討論如何迎敵。其中有人建議“背水一戰”，在波斯人人數上佔優勢的情況下。結果這一意見沒有被採納。由於對自己實力不足，卡里亞人讓波斯人渡河之後背水列陣，想讓自己處於進可攻退可守的地位。結果由於戰鬥意志不堅定，而且沒有趁波斯人過河時襲擊對手，結果波斯軍首戰告捷，卡里亞人戰死的有1萬之多，波斯軍也有2千人陣亡。
正當戰敗的卡里亞人逃到拉布勞昂達的森林裏商量接下來該怎麼辦時，愛奧尼亞軍隊陸軍的主力米利都人趕來增援了。於是米利都人和卡里亞人一起迎戰。結果由於卡里亞人和希臘方陣的作戰風格略有差異，兩軍缺乏統一訓練與配合，結果聯軍再次戰敗，米利都軍遭到重創，退回本邦。
但是卡里亞人沒有氣餒，他們仍然集結起剩餘的部隊，在波斯軍向配達索斯城進攻的路上設下了埋伏。結果是道利塞斯率領的波斯軍因爲輕敵大意，在夜裏被卡里亞伏兵在半道上全部消滅。道利塞斯本人也在混戰中，被善於用長矛和反曲刀剋制騎兵的卡里亞人陣斬。至此，聯軍才以十分慘重的代價，取得了起義以來惟一的陸戰勝利。
在卡里亞之戰後，波斯人也從此吸取了教訓，明白對方並非不堪一擊。於是他們不再貿然進攻，避免和對方開展正面廝殺。開始採取蠶食和各個擊破的“侵蝕”戰術。
接替道利塞斯擔任波斯平叛軍主將的是敘瑪伊斯。他先是征服了普羅滂提海附近的基俄斯，又佔領了特洛伊地區，不過也很快病死。接替道利塞斯的是大流士的女婿歐塔涅斯。他沒有直接進攻起義者的大本營，即愛奧尼亞的核心地帶。而是在公元前495年攻下了愛奧尼亞北邊的埃奧利斯地區的兩座農業發達的大城邦：庫麥和克拉佐門尼，孤立愛奧尼亞城邦。對於起義者來說，失掉這兩座城市最大的影響是經濟上的。
連番失敗使起義指揮者聲望大跌，於是阿里斯塔戈拉將米利都的領導權委託給別人。一是爲了躲避失敗的命運，二是爲了開闢經濟來源。他渡海去進攻色雷斯的米爾西諾斯，獲得當地寶貴的銀礦資源，結果在一年的圍攻戰之後死於色雷斯人的偷襲。
慘淡結局
在阿里斯塔戈拉在色雷斯戰死後。一直被大流士軟禁在波斯的原米利都僭主希斯提亞歐設計騙過大流士，回到了愛奧尼亞去繼續領導起義。
但與此同時，波斯人集結起一支強大的海軍，直指愛奧尼亞最大的城邦米利都。對於愛奧尼亞希臘的最強城邦，波斯人發現了米利都極度依賴海外運輸糧食的特點。連年征戰對於田園破壞嚴重，而且公民和奴隸大量加入軍隊，耽誤了農業生產，所以這時的米利都糧食已經難以自給自足。徹底消滅愛奧尼亞的海軍，纔是切斷他們與海外的聯繫纔是制勝的關鍵。
與之針鋒相對的是，愛奧尼亞人在米利都附近的拉德島集結了自己的艦隊，捍衛海上生命線。聯軍在彙集之初士氣高昂，進行了聯合操練。但由於夏季氣溫十分炎熱，拉德島上缺乏足夠的活動空間與糧食供養大量聚集的海軍。所以大軍營地一片混亂，作戰訓練也沒能有序進行。再加上盛夏季節氣溫炎熱，人馬集結在較小的海島上導致瘟疫爆發，很多戰士病倒在營地裏無法行動。與此同時，波斯人軟硬兼施，找來被希臘城邦廢除的僭主們寫信，瓦解希臘軍隊的士氣。
公元前494的10月20日，在用充分的時間消耗希臘艦隊的士氣和鬥志後，希臘人的353艘三列槳艦和波斯的600條船正式開戰。雖然聯軍和波斯艦隊一開始表現得不相上下，但是被廢黜僭主收買的薩摩斯將領帶頭脫逃。另一海軍強國萊斯沃斯島趁機撤退，結果剩下的希俄斯艦隊孤軍奮戰，最後慘遭殲滅。
既然海上力量在拉德灣海戰中已被掐斷，絞索已經套在了米利都的脖子上。公元前494 的11月，也是整個起義爆發之後的第6年，米利都城終於在波斯人的圍攻中陷落了。
波斯人對於這個城市實行了特別嚴厲的懲罰措施。男人大部分戰死或者被殺死，所有的婦女和兒童都被作爲奴隸，被波斯大王安置到波斯灣地區。曾經孕育了第一個哲學學派的城邦，從此喪失了重要性，變成了一個普通的二等城邦。後來的米利都人是波斯人和被波斯人重新遷入的希臘臣民。當時的雅典悲劇家福律尼科斯寫了一出叫《米利都的陷落》的悲劇，反映的就是這一事件。演出的效果是全場的觀衆都被感動得哭泣了起來。有感於同胞的災難，雅典人對福律尼科斯處以重罰，並禁止悲劇的演出。
隨着拉德灣海戰失敗和米利都的陷落，其他城邦的居民也被波斯侵略者逐步捕殺奴役。希斯提亞歐雖然從拜占庭趕來繼續領導起義，但已經無力迴天了。他本人也在凱科斯平原的戰鬥中被俘後被殺。最後腓尼基人毫無懸念的奪去了赫勒斯滂海峽，控制了希臘世界的命脈，給愛琴海套上了枷鎖。
另一方面，波斯人繼續對新徵服的地區的一貫政策。在屬國提供軍隊與稅收的前提下，儘量不變動政治制度。所以之前從呂底亞王國奪來對愛奧尼亞的控制權之後，自然支持這裏的僭主政體繼續存在下去。當起義最終被平定之後，實行專制的波斯人在這裏也順應潮流地推行起民主制度起來，進行“攻心爲上勝攻城”的統治策略。對於不合作的希臘城邦，波斯大王繼續採用整體遷移，集體移民到亞洲的方式來懲戒他們。
在愛琴海北部的車爾鬆半島，聽聞波斯大軍即將靠近，當地的一位君主選擇立即開溜。他曾在波斯人對斯基泰的遠征中計劃借刀殺人，除掉波斯大王大流士。他在九死一生地擺脫了腓尼基海軍的追殺後，來到了雅典。他就是日後的雅典名將，馬拉松戰役的指揮官——米太亞得。
