Tháng 3-431 trước Công nguyên, người Athens bắt đầu tổ chức tấn công quân Sparta, mở màn cuộc chiến kéo dài 27 năm. Sự kiện này được lịch sử gọi là cuộc chiến Peloponnesus giữa một bên là liên minh Delos do Athens lãnh đạo với liên minh Peloponnesian do người Sparta làm thủ lĩnh. Mở đầu cuộc chiến, quân Athens chiếm ưu thế trên biển, còn quân Sparta lại dựa vào lực lượng trên bộ hùng hậu để chống trả.
Người Athens sử dụng hải quân mở rộng chiến tranh trên biển Aegen. Còn người Sparta sử dụng bộ binh bao vây thành Athens. Người Athens tổ chức phòng thủ chặt thành phố, điều hải quân về ứng cứu. Tuy nhiên, do không lường trước hậu quả của việc bị bao vây nên trong thành Athens bị thiếu hụt lương thực, thực phẩm dẫn đến nạn đói xảy ra làm chết hơn ¼ số dân toàn thành phố. Thành Athens bị thất thủ sau đó không lâu. Năm 422 trước công nguyên, người Athens tiếp tục cuộc chiến với người Sparta nhưng bất phân thắng bại nên hai bên phải ký hòa ước đình chiến trong thời hạn 50 năm. Tuy nhiên, hòa bình chưa được bao lâu thì người Athens lại tiếp tục gây chiến. Năm 415, hải quân Athens tổ chức tấn công các thành trì ven biển của người Sparta. Trong lúc này, một tướng của Athens chạy sang tiết lộ những bí mật quân sự và hiến kế cho người Sparta. Nhờ những thông tin này, quân Sparta đã đánh bại hạm đội của Athens và chiếm bán đảo Attica. Nhân cơ hội này, các thành bang khác trong Hy Lạp đã tự giải thoát khỏi tầm ảnh hưởng và sự kiểm soát của người Athens.
Ngay trong lúc Athens bị thù trong giặc ngoài tấn công dồn dập làm cho suy yếu thì vua Ba Tư đã hỗ trợ người Sparta thành lập lực lượng hải quân, xây dựng hàng loạt hạm đội hùng mạnh. Năm 405 trước công nguyên, quân Sparta tổ chức phản công trên toàn mặt trận. Cuộc chiến diễn ra ngày càng khốc liệt, quân Athens hoàn toàn mất thế chủ động vì những mâu thuẫn của giới chính trị trong nước, còn người Sparta càng đánh càng trở nên hùng mạnh. Người Sparta đã đánh bại toàn bộ hải quân của Athens và làm chủ biển Aegen, khống chế toàn bộ đường tiếp tế và các hoạt động mậu dịch của đối phương. Năm 404 trước công nguyên, người Sparta tổ chức bao vây thành Athens. Thủ lĩnh Athens buộc phải kéo cờ trắng đầu hàng vô điều kiện, cuộc chiến Peloponnesus chính thức khép lại với phần thắng thuộc về người Sparta.
Tuy thắng lợi nhưng người Sparta cũng bị kiệt quệ về kinh tế, tổn thất về quân đội nên cũng rơi vào vòng xoáy khủng hoảng. Lịch sử đánh giá cuộc chiến Peloponnesus là một cuộc nội chiến huynh đệ tương tàn giữa các thành bang trong Hy Lạp thời cổ đại. Cuộc chiến này đã làm Athens - một thành bang hùng mạnh nhất Hy Lạp với nhiều thành tựu về văn minh bị suy vong kéo theo cả chế độ dân chủ, dẫn đến đói nghèo.