Artemisia, così chiamata in onore della sorella di Apollo, è la sola donna a cui Erodoto attribuisce la virtù della "andrèia" (cioè del coraggio). Non si conosce nulla della sua nascita o infanzia, ma sappiamo che sposò il re di Alicarnasso nel 500 a.C. circa, appena prima della rivolta della Ionia che portò all'invasione persiana della Grecia. Quando qualche anno dopo il marito morì e Artemisia salì al trono.
Abbastanza intelligente da valutare bene le circostanze, nel 480 a.C. Artemisia si schierò con Serse durante la seconda invasione persiana della Grecia. Ebbe anche un ruolo diretto, prendendo il comando del contingente di cinque o sei navi di Alicarnasso. Secondo tutte le cronache, si comportò con abilità nella battaglia navale di Capo Artemisio; da un punto di vista tattico lo scontro si risolse in uno stallo, ma la Persia riportò una vittoria strategica, dal momento che costrinse la flotta greca a ritirarsi verso Salamina. Quando i persiani si avvicinarono alle forze greche guidate da Temistocle, Artemisia fu l'unico comandante persiano a sconsigliare un ulteriore attacco, esortando invece alla pazienza.
Mentre Serse osservava dal suo trono d'oro, la flotta persiana si avventurò nello stretto... dove subì una sconfitta rovinosa. Nonostante le sue riserve, Artemisia si comportò in modo brillante, per non dire spietato. Vedendo che le sue navi erano intrappolate fra le mortali triremi greche e la flotta persiana in via di disfacimento, decise che doveva assolutamente disimpegnarsi. Inseguita dalle navi nemiche, speronò a mente fredda una nave persiana che le bloccava la rotta e riuscì a fuggire. Ritenendo che fosse un'alleata, i greci interruppero l'inseguimento, mentre Serse, credendo che avesse affondato un nemico ed esasperato dall'incapacità dei suoi ammiragli, esclamò: "i miei uomini sono diventati donne, e le mie donne uomini".
Dopo la battaglia Artemisia consigliò a Serse di tornare in Asia: Erodoto scrive che ella stessa portò i figli in salvo dalla Grecia a Efeso. In seguito le fonti storiche non fanno più alcuna menzione di lei.