争夺塞浦路斯
虽然失去了希腊本土的外援，但爱奥尼亚人没有放弃。他们很快组织了第二阶段行动。联军舰队向北攻下了赫勒斯滂海峡附近被波斯人占领的城邦，打通前往黑海的航线。黑海对于希腊殖民者意味着财富与希望。乌克兰地区出产的粮食，黑海东岸和南岸出产的贵重金属，黑海以北森林出产的木材。还有色雷斯，斯基泰雇佣军都是宝贵的战略资源。黑海地区的物产能支持他们与外敌进行长期周旋。
随后他们借助早已铺垫好的关系，向南发动起卡里亚、密西亚、塞浦路斯等爱琴文明后裔加入起义队伍。爱奥尼亚起义者的计划是控制盛产铜矿的塞浦路斯，并可以牵制亲波斯的腓尼基舰队北上。如果卡里亚和塞浦路斯人能牵制住腓尼基人，那么未来甚至可以继续向南活动，策动物产丰富，但是起义不断的埃及加入行动。
塞浦路斯的希腊人是迈锡尼文明的幸存者，他们使用古老的线形文字，说阿卡迪亚-塞浦路斯希腊方言。到公元前6世纪末，塞浦路斯岛上的十个城邦中，除了阿玛苏斯之外，其他城邦都是迈锡尼后裔。果然，塞浦路斯希腊人纷纷起兵，在亲希腊的萨拉米斯王国欧涅西洛斯的带领下，群起围攻塞浦路斯岛上惟一的腓尼基城邦阿玛苏斯，发泄对波斯的不满,临近的一些民族也开始蠢蠢欲动起来。
为了防止更多民族卷入起义，于是波斯决定以塞浦路斯为起点，系统性地组织反击。公元前496年，波斯陆军在塞浦路斯岛北端登陆，腓尼基舰队也靠近了塞浦路斯。爱奥尼亚海军主力闻讯后，在3天内从基地出发，火速航行400英里增援塞浦路斯人。双方在塞浦路斯的萨拉米斯城邦附近，展开了激烈的萨拉米斯之战。
战役分海陆战场展开。在一番血战之后，已经逐步装备大量划桨战船的希腊海军成功击败了腓尼基的圆底战舰，取得了第一次海战胜利。但是陆战却很不乐观。在军事战法上，塞浦路斯的希腊人保留了祖先传统，崇尚英雄间的单挑决斗与个人武艺，认为只要斩杀了敌将就赢得了战斗。
在激战中，欧涅西洛斯带领亲兵和精锐武士突入波斯人的阵型，在混战中凭借高超的武艺，像史诗英雄一样一对一决斗，将波斯主将阿尔提比奥斯斩于马下。但是久经沙场的波斯人并没有因为丧失主帅而立即全盘崩溃。相反是一番激战后，因为伤亡过于惨重，塞浦路斯人自己的阵脚松动。甚至有城邦的贵族当场驾着战车前往波斯军投降，或者驾着战车撤退。
结果深陷敌阵的欧涅西洛斯反而被当场斩杀，首级被阿玛苏斯人挂在城门上示众。在陆战失败后，塞浦路斯的希腊城邦陆续沦陷。最顽强的索罗斯城邦在抵抗5个月后，被波斯人用地道战攻陷。至此，爱奥尼亚联军虽然夺回了对赫勒斯滂、拜占庭的控制权，获得了物产来源，但把起义向南推进到埃及已不可能。双方就此进入相持阶段。
卡里亚战役
密西亚人和卡里亚人是克里特文明的殖民者登陆小亚细亚后，与当地土著结合的后代。他们的建筑遗址与文物有着浓郁的克里特和迈锡尼风格。在公元前8世纪，这些人一度以航海技术让人忌惮，后来他们又加入希腊雇佣军团，为埃及吕底亚等势力服务，能提供与希腊风格类似的重步兵，被希腊人称为“战鹅”。
在波斯人马不停蹄地向卡里亚进军时，卡里亚城邦将军队集结在马尔西亚河岸，开会讨论如何迎敌。其中有人建议“背水一战”，在波斯人人数上占优势的情况下。结果这一意见没有被采纳。由于对自己实力不足，卡里亚人让波斯人渡河之后背水列阵，想让自己处于进可攻退可守的地位。结果由于战斗意志不坚定，而且没有趁波斯人过河时袭击对手，结果波斯军首战告捷，卡里亚人战死的有1万之多，波斯军也有2千人阵亡。
正当战败的卡里亚人逃到拉布劳昂达的森林里商量接下来该怎么办时，爱奥尼亚军队陆军的主力米利都人赶来增援了。于是米利都人和卡里亚人一起迎战。结果由于卡里亚人和希腊方阵的作战风格略有差异，两军缺乏统一训练与配合，结果联军再次战败，米利都军遭到重创，退回本邦。
但是卡里亚人没有气馁，他们仍然集结起剩余的部队，在波斯军向配达索斯城进攻的路上设下了埋伏。结果是道利塞斯率领的波斯军因为轻敌大意，在夜里被卡里亚伏兵在半道上全部消灭。道利塞斯本人也在混战中，被善于用长矛和反曲刀克制骑兵的卡里亚人阵斩。至此，联军才以十分惨重的代价，取得了起义以来惟一的陆战胜利。
在卡里亚之战后，波斯人也从此吸取了教训，明白对方并非不堪一击。于是他们不再贸然进攻，避免和对方开展正面厮杀。开始采取蚕食和各个击破的“侵蚀”战术。
接替道利塞斯担任波斯平叛军主将的是叙玛伊斯。他先是征服了普罗滂提海附近的基俄斯，又占领了特洛伊地区，不过也很快病死。接替道利塞斯的是大流士的女婿欧塔涅斯。他没有直接进攻起义者的大本营，即爱奥尼亚的核心地带。而是在公元前495年攻下了爱奥尼亚北边的埃奥利斯地区的两座农业发达的大城邦：库麦和克拉佐门尼，孤立爱奥尼亚城邦。对于起义者来说，失掉这两座城市最大的影响是经济上的。
连番失败使起义指挥者声望大跌，于是阿里斯塔戈拉将米利都的领导权委托给别人。一是为了躲避失败的命运，二是为了开辟经济来源。他渡海去进攻色雷斯的米尔西诺斯，获得当地宝贵的银矿资源，结果在一年的围攻战之后死于色雷斯人的偷袭。
惨淡结局
在阿里斯塔戈拉在色雷斯战死后。一直被大流士软禁在波斯的原米利都僭主希斯提亚欧设计骗过大流士，回到了爱奥尼亚去继续领导起义。
但与此同时，波斯人集结起一支强大的海军，直指爱奥尼亚最大的城邦米利都。对于爱奥尼亚希腊的最强城邦，波斯人发现了米利都极度依赖海外运输粮食的特点。连年征战对于田园破坏严重，而且公民和奴隶大量加入军队，耽误了农业生产，所以这时的米利都粮食已经难以自给自足。彻底消灭爱奥尼亚的海军，才是切断他们与海外的联系才是制胜的关键。
与之针锋相对的是，爱奥尼亚人在米利都附近的拉德岛集结了自己的舰队，捍卫海上生命线。联军在汇集之初士气高昂，进行了联合操练。但由于夏季气温十分炎热，拉德岛上缺乏足够的活动空间与粮食供养大量聚集的海军。所以大军营地一片混乱，作战训练也没能有序进行。再加上盛夏季节气温炎热，人马集结在较小的海岛上导致瘟疫爆发，很多战士病倒在营地里无法行动。与此同时，波斯人软硬兼施，找来被希腊城邦废除的僭主们写信，瓦解希腊军队的士气。
公元前494的10月20日，在用充分的时间消耗希腊舰队的士气和斗志后，希腊人的353艘三列桨舰和波斯的600条船正式开战。虽然联军和波斯舰队一开始表现得不相上下，但是被废黜僭主收买的萨摩斯将领带头脱逃。另一海军强国莱斯沃斯岛趁机撤退，结果剩下的希俄斯舰队孤军奋战，最后惨遭歼灭。
既然海上力量在拉德湾海战中已被掐断，绞索已经套在了米利都的脖子上。公元前494 的11月，也是整个起义爆发之后的第6年，米利都城终于在波斯人的围攻中陷落了。
波斯人对于这个城市实行了特别严厉的惩罚措施。男人大部分战死或者被杀死，所有的妇女和儿童都被作为奴隶，被波斯大王安置到波斯湾地区。曾经孕育了第一个哲学学派的城邦，从此丧失了重要性，变成了一个普通的二等城邦。后来的米利都人是波斯人和被波斯人重新迁入的希腊臣民。当时的雅典悲剧家福律尼科斯写了一出叫《米利都的陷落》的悲剧，反映的就是这一事件。演出的效果是全场的观众都被感动得哭泣了起来。有感于同胞的灾难，雅典人对福律尼科斯处以重罚，并禁止悲剧的演出。
随着拉德湾海战失败和米利都的陷落，其他城邦的居民也被波斯侵略者逐步捕杀奴役。希斯提亚欧虽然从拜占庭赶来继续领导起义，但已经无力回天了。他本人也在凯科斯平原的战斗中被俘后被杀。最后腓尼基人毫无悬念的夺去了赫勒斯滂海峡，控制了希腊世界的命脉，给爱琴海套上了枷锁。
另一方面，波斯人继续对新征服的地区的一贯政策。在属国提供军队与税收的前提下，尽量不变动政治制度。所以之前从吕底亚王国夺来对爱奥尼亚的控制权之后，自然支持这里的僭主政体继续存在下去。当起义最终被平定之后，实行专制的波斯人在这里也顺应潮流地推行起民主制度起来，进行“攻心为上胜攻城”的统治策略。对于不合作的希腊城邦，波斯大王继续采用整体迁移，集体移民到亚洲的方式来惩戒他们。
在爱琴海北部的车尔松半岛，听闻波斯大军即将靠近，当地的一位君主选择立即开溜。他曾在波斯人对斯基泰的远征中计划借刀杀人，除掉波斯大王大流士。他在九死一生地摆脱了腓尼基海军的追杀后，来到了雅典。他就是日后的雅典名将，马拉松战役的指挥官——米太亚得。