La película comienza con Jerjes (Rodrigo Santoro) decapitando el cadáver del rey Leónidas tras ganar la batalla de las Termópilas (tal y como se representa en 300). A continuación, retrocedemos en el tiempo para asistir a la primera invasión de Grecia, dirigida por el padre de Jerjes, Darío. En la batalla de Maratón, los griegos derrotan a las fuerzas de Darío y el general Temístocles (Sullivan Stapleton) hiere a Darío con una flecha. Aunque Temístocles tiene la oportunidad de matar también a Jerjes durante la batalla, en su lugar muestra piedad. Los persas regresan a su hogar, donde Darío muere a causa de sus heridas. Su general de mayor confianza, Artemisia (Eva Green), convence a Jerjes para que se transforme en un dios. Jerjes vaga por el desierto y acaba encontrándose con un grupo de místicos que lo transforman en un gigante de piel dorada. Jerjes regresa a su casa y comienza a reunir un ejército para atacar a los griegos una vez.

Adelantándose, Temístocles convence al Senado ateniense para que le autorice a comandar una flota naval contra los espartanos en Artemisium. Viaja a Esparta para pedirle a la reina Gorgo (Lena Headey) la ayuda de los espartanos (mientras Leónidas está fuera consultando al oráculo sobre la posibilidad de enfrentarse a los persas en la batalla, como se vio en 300) y ella se niega. Temístocles se marcha y consulta con su amigo de confianza Scyllias (Callan Mulvey). Observan que Artemisia es en realidad una ciudadana griega cuya ciudad fue saqueada por soldados griegos. Los soldados mataron a su familia y la mantuvieron como esclava sexual, dejándola morir tras años de abusos. Un persa la encontró, la cuidó y la entrenó para ser una asesina mortal. Desde entonces ha dedicado su vida a matar a todos los griegos que encuentra. Scyllias menciona que no quiere que su hijo Calisto (Jack O'Connell) luche, pero Calisto se une a la armada de todos modos y Themistokles lo toma bajo su ala.

Los barcos de Temístocles son superados ampliamente por la armada de Artemisia. Sus generales, sin embargo, caen fácilmente ante la estrategia superior de Temístocles y éste consigue dos victorias tempranas. Cada vez que un comandante pierde una batalla, Artemisia lo envía a la tumba de agua por sus fracasos. Artemisia queda impresionada por la competencia de Temístocles y le pide que negocie una tregua con ella. Comienza a seducirlo, pidiéndole que sirva a su lado mientras destruyen Grecia juntos. La pareja mantiene relaciones sexuales forzadas (cada una intentando sacar lo mejor de la otra) y Temístocles acaba rechazando la oferta de Artemisia. Al día siguiente, Artemisia lidera personalmente el ataque y destruye muchas de las naves griegas, volando personalmente la nave de Temístocles (y creyéndolo muerto). Temístocles sobrevive al asalto, pero él y Calisto presencian con tristeza cómo Escilias sucumbe a las heridas de la batalla. Temístocles se entera entonces de que Jerjes ha derrotado a Leónidas y a los espartanos en las Termópilas (en 300) y que avanza hacia Atenas. Temístocles ordena una retirada total y el Senado ateniense ordena que todos abandonen la ciudad.

Temístocles se reúne con el mensajero de Jerjes, Efialtes (Andrew Tiernan), que traicionó a Leónidas y a su país en la primera película. Éste informa a los griegos de que Jerjes ha quemado Atenas hasta los cimientos. Temístocles envía a Efialtes de vuelta a Jerjes y le reta a otra batalla naval en Salamina. A continuación, Temístocles envía mensajeros a las demás ciudades-estado de Grecia para pedirles que se unan a su flota en una última batalla y les dice que utilicen la historia de Leónidas como grito de guerra. Visita personalmente Esparta para volver a pedir ayuda a Gorgo, pero ésta lo rechaza porque llora la pérdida de Leónidas y sus compañeros. Mientras tanto, Jerjes duda en enfrentarse a Temístocles en la batalla, pero en contra de sus órdenes, Artemisia decide navegar hasta Salamina para destruir a Temístocles de una vez por todas.

Los barcos se reúnen en Salamina con Jerjes observando la batalla desde un acantilado cercano. De nuevo, las fuerzas de Artemisia superan en número a las griegas. Durante la batalla, Artemisia se encuentra con Temístocles en un barco y los dos luchan, ganando Artemisia la ventaja. Sin embargo, antes de que pueda asestar un golpe mortal, llegan los barcos de las demás ciudades-estado griegas, liderados por Gorgo y los espartanos. Temístocles ha unido a toda Grecia por primera vez y los refuerzos empiezan a diezmar rápidamente la flota persa, ahora flanqueada. Temístocles aprovecha la distracción para apuñalar a Artemisia. Sabiendo que ha perdido la batalla, Artemisia se empala completamente en la espada de Temístocles.

Jerjes observa cómo su flota naval es destruida por los griegos, ahora unidos. Baja del acantilado y comienza a movilizar a su todavía considerable ejército para un nuevo asalto por tierra, mientras los créditos ruedan.

Todos los personajes y acontecimientos principales de esta película existieron y ocurrieron, aunque los hechos son un poco diferentes. Por ejemplo, Darío no murió en la batalla de Maratón. Lo más atroz es que Artemisia fue la única general que se opuso a atacar a los griegos en Salamina, pero Jerjes ignoró su consejo y ordenó que se celebrara la batalla. Artemisia luchó, pero no murió, en Salamina.