Греки разбили лагерь за стеной, перекрывающей узкий Фермопильский проход. Стена представляла собой невысокую баррикаду, выложенную из тяжёлых камней. Персидское войско остановилось у города Трахина перед входом в Фермопилы. Один местный житель, рассказывая эллинам о многочисленности варваров, добавил, что «если варвары выпустят свои стрелы, то от тучи стрел произойдет затмение солнца». В ответ спартанец Диенек беззаботно пошутил: «Наш приятель из Трахина принес прекрасную весть: если мидяне затемнят солнце, то можно будет сражаться в тени.»

Ксеркс выжидал 4 дня, а на 5-й послал наиболее боеспособные отряды из урожденных мидян на штурм. По Диодору Ксеркс отправил в первой волне атакующих близких родственников воинов, погибших за 10 лет до того в битве с греками при Марафоне. Греки встретили их в теснине лицом к лицу, в то время как другая часть греков оставалась на стене. Греки притворно отступали, но затем разворачивались и контратаковали расстроенные отряды персов. Затем Ксеркс сменил мидян на киссийцев и саков, славных своей воинственностью. Более легко вооружённые и не имеющие строевой подготовки, подобной греческой, воины персидского царя не могли прорвать плотную фалангу греков, укрывшуюся за сплошной стеной больших щитов. Перед наступлением вечера в бой пошла гвардия Ксеркса, воины из отряда «бессмертных». Но и они отступили после короткой схватки.

На второй день Ксеркс послал в бой воинов, известных своей отвагой(в основном карийцев), с обещанием хорошей награды за успех и смерти за бегство с поля боя. Второй день тоже прошёл в бесплодных атаках. Персы сменяли атакующие отряды, греки, в свою очередь, сменяли в сражении друг друга.

Ксеркс не знал, что предпринять дальше, когда к нему обратился некий местный житель Эфиальт, вызвавшийся за вознаграждение провести персов горной тропой в обход Фермопил. Тропу охранял отряд фокийцев (из средней Греции) в 1000 воинов. Отборный персидский отряд в 20 тысяч под командованием Гидарна скрытно шёл всю ночь, а к утру неожиданно обрушился на фокийцев. Загнав их на вершину горы, Гидарн продолжил движение в тыл эллинам, охраняющим Фермопилы. Фокийцы послали бегунов сообщить грекам об обходном манёвре персов; об этом же греков предупредил ещё ночью перебежчик по имени Тиррастиад из персидского лагеря.

Мнения союзников разделились. Большинство, подчиняясь воле обстоятельств, отправились по своим городам. Остались только 300 спартанцев царя Леонида, 700 феспийцев под командованием Демофила, сына Диадрома и 400 фиванцев под начальством Леонтиада, сына Евримаха. Численность воинов в отрядах указана на начало сражения, но за 2 дня боёв греки понесли ощутимые потери. Феспии и Фивы — города в Беотии, через которую неизбежно должен был пролегать путь персидского войска, так что отряды этих городов защищали в Фермопилах родную землю. Геродот писал свой исторический труд в пору вражды Фив с Афинами, поэтому он не упускал случая выставить фиванцев предателями Эллады и сообщает, что фиванский отряд был удержан Леонидом против их воли в качестве заложников. Данная версия Геродота опровергается как судьбой отряда, так и логикой войны.

По Диодору в распоряжении Леонида на 3-й день оставалось только 500 воинов.

Подвиг спартанцев

Геродот сообщает, что в битве участвовало не только 300 спартанских гоплитов, но также илоты (государственные крепостные в Спарте), которых спартанцы использовали как легковооружённых воинов и слуг, но с которыми не делились славой. По словам Геродота в битве при Платеях на каждого спартанского гоплита приходилось по 7 илотов; соотношение в Фермопильском сражении неизвестно, но, видимо, было примерно таким же, судя по количеству погибших греков.

Не рассчитывая на победу, но лишь на славную смерть, оставшиеся греки приняли бой в отдалении от прежнего места, там, где проход расширяется. Даже там персы не могли развернуться и погибали массами в давке или будучи сброшенными с обрывистого берега. У спартанцев копья были сломаны, они разили врагов короткими спартанскими мечами в тесной рукопашной. В бою пал Леонид, у персов погибли Аброком и Гиперанф, братья царя Ксеркса. Заметив приближение с тыла персидского отряда, ведомого Эфиальтом, греки отступили к стене, а затем, миновав её, заняли позицию на холме у выхода из прохода. По словам Геродота, во время отступления фиванцы отделились и сдались в плен, таким образом они спасли свои жизни ценой клеймения в рабство.

Спартанцы и феспийцы приняли последний бой. Персы расстреливали последних героев из луков, забрасывали их камнями. По сведениям Геродота отличились доблестью спартанцы Диенек, братья Алфей и Марон, феспиец Дифирамб.

Из 300 спартанцев в живых остался лишь Аристодем, который больным был оставлен Леонидом в селении Альпены. По возвращении в Спарту Аристодема ожидало бесчестие и позор. Никто не разговаривал с ним, ему дали прозвание Аристодем-Трус. По слухам в живых остался ещё один спартанец по имени Пантит, отправленный гонцом в Фессалию. По возвращении в Лакедемон (область, где находилась Спарта) его также ожидало бесчестие, и он повесился.

Диодор передаёт последний бой 300 спартанцев в легендарном виде. Они будто бы напали на персидский лагерь ещё затемно и перебили множество персов, стараясь в общей суматохе поразить самого Ксеркса. Только когда рассвело, персы заметили немногочисленность отряда Леонида и забросали его копьями и стрелами с расстояния.

После сражения

Царь Ксеркс лично осмотрел поле боя. Найдя тело Леонида, он приказал отрубить ему голову и посадить на кол. Под Фермопилами пало, по словам Геродота, до 20 тысяч персов и 4 тысячи греков, включая спартанских илотов.

Павших эллинов похоронили на том же холме, где они приняли последний бой. На могиле поставлен камень с эпитафией поэта Симонида Кеосского:

ὦ ξεῖν', ἀγγέλλειν* Λακεδαιμονίοις ὅτι τῇδε
κείμεθα τοῖς κείνων ῥήμασι* πειθόμενοι
Путник, пойди возвести нашим гражданам в Лакедемоне,
Что, их заветы блюдя, здесь мы костьми полегли.

В следующем 479 до н. э. персидское войско было полностью разгромлено в битве при Платеях в Беотии. В той битве среди спартанцев отличился Аристодем, единственный уцелевший из 300 воинов царя Леонида. Он бился, как исступленный, выйдя из рядов, и совершил великие подвиги лишь потому, как полагали сами спартанцы, что искал смерти из-за своей вины.

За голову предателя Эфиальта, сына Евридема, Спарта объявила награду. Затем он был убит соплеменником в ссоре. Останки царя Леонида были перезахоронены в Спарте спустя 40 лет после его гибели. Жители города через 600 лет после сражения, уже в римское время, ежегодно проводили состязания в честь национального героя. Имена всех павших в Фермопилах были высечены на плите.

После греко-персидских войн, в 3-й Мессенской войне (середина V в. до н. э.), отборный отряд из 300 спартанцев был также полностью уничтожен. Но только гибель отряда под начальством царя Леонида в сентябре 480 до н. э. стала легендой.

Другие битвы при Фермопилах

При Фермопилах произошли также следующие сражения:

В 279 до н. э. союзное войско греков остановило галльское нашествие.

В 191 до н. э. здесь был разбит римлянами сирийский царь македонской династии Антиох III.