Щоб не відштовхнути від союзу спартанців, які все ще сподівались відсидітись за істмійськими мурами і не поспішали виступати, афіняни погодились передати їм командування не тільки армією, а й флотом. Після довгих нарад члени союзу, що зібралися на Істмі, вирішили послати флот приблизно з 300 кораблів під командуванням спартанця Еврібіада до мису Артемісій, на узбережжі Евбеї, а військо — до Фермопіл, гірського проходу, через який пролягав шлях з Фессалії до Середньої Греції. . Із заходу тяглася неприступна стрімка гора, а на сході до самого моря сягали непрохідні болота. Колись жителі Фокіди, обороняючись від сусідніх фессалійців, перегородили прохід муром. Біля цього муру текли теплі джерела, від яких прохід дістав назву Фермопіли, що значить «теплі ворота». Тут маленьке військо могло надовго затримати найсильнішого ворога.
Невеликі були сили греків біля Фермопіл: 300 спартанців, 1120 аркадійців, 400 корінфян і ще близько півтори тисячі з інших міст Пелопоннесу та понад тисячу воїнів із Середньої Греції. Неохоче, із страхом прийшли вони сюди, хоч афіняни запевняли, що захистять їх землі своїм флотом, і закликали не боятися Ксеркса, адже він простий смертний і, значить, як і всяка людина, може бути переможений. Решта сил союзників мала прибути пізніше, коли закінчаться олімпійські ігри, що саме проходили в той час.
Загоном біля Фермопіл командував спартанський цар Леонід — патріот, людина тверда і мужня, досвідчена у військовій справі.
Ще не встигло підійти до Фермопіл очікуване підкріплення, як стало відомо, що наближається військо Ксеркса. Пелопоннесці запропонували відступити і зосередити сили на захисті Істми. Але жителі Середньої Греції гірко дорікали своїм союзникам, що ті ладні віддати їх беззахисними розгніваному перському цареві. Леонід вирішив залишитись, пославши гінця до Спарти, щоб там не гаялися з підкріпленням. Хоч становище було критичним, та греки не втрачали мужності. Коли один місцевий житель прибіг із звісткою, що персів іде стільки, що вони своїми стрілами заступлять сонце, один спартанець відповів: «Будемо битися в затінку!»
Ксеркс, розташувавшись з військом на північ від Фермопіл, послав розвідника подивитись, що роблять греки. Той доніс, що бачив спартанців, які поводились зовсім спокійно: одні займалися гімнастикою, інші розчісували волосся. Ксеркс сподівався, що греки без бою залишать Фермопіли. Але дні минали, а греки не відходили.
Ксеркс послав мідян, наказавши доставити до нього живими цих безумців. Цілий день нападали мідійці на греків, але всі їх атаки були відбиті… Нарешті мідійці відступили, і Ксеркс послав на їх місце своїх «безсмертних». Сидячи на підвищенні в кріслі, цар сподівався дуже скоро натішитися видовищем перемоги, але виявилось що «безсмертні» мали не більше успіху, ніж мідяни. Ведучи бій у вузькому міжгір’ї, вони не могли скористатися своєю чисельною перевагою, а в єдиноборстві спартанці були сильніші. Кілька разів спартанці вдавали, що відступають, а коли перси з голосними криками кидались за ними, поверталися обличчям до ворогів і знищували їх. Тричі від страху за свій добірний загін схоплювався Ксеркс з крісла. Не раз намагалися перси перешикуватися і змінити тактику, але так і не просунулись ні на крок.
Цар не знав, що й робити, як раптом увечері до нього з’явився грецький перебіжчик, місцевий житель Ефіальт, і передав, що через гори є обхідна стежка до Фермопіл, про яку майже ніхто не знав. Зрадник брався провести по ній військо персів у тил захисників міста. Ксеркс радо прийняв цю пропозицію і відразу спорядив великий загін під командою начальника «безсмертних».
На ніч загін виступив. Спочатку перси йшли уздовж гірської річки, потім, переправившись через неї,— по краю гори, піднімаючись усе вище й вище. На світанку вони досяггли вершини гори, вкритої дубовим лісом.
В цей момент перед ними з’явилися перси, які теж не чекали такої зустрічі. У персів виникло побоювання, чи не спартанці це, але Ефіальт повідомив, що це воїни з Фокіди, їх можна не боятися. Вишикувавшись у бойовий порядок, перси відкрили стрільбу з луків. Греки не витримали і кинулись тікати. А перси почали спускатися з гори до головного табору греків. Тут уже знали від перебіжчиків і лазутчиків, що перси обходять гору. Леонід вирішив відіслати союзників — він хотів врятувати більше воїнів для майбутніх битв, а може, не дуже покладався на їх хоробрість. Сам він вирішив залишитися на місці і якомога довше затримати персів. З ним залишилися його спартанці і воїни міста Феспії. Спартанці вважали ганьбою покинути доручену їм позицію, а феспійці не хотіли залишати в біді друзів. Всього у Леоніда залишилося 1200 важкоозброених зоїнів. Вони приготувались до смерті, але вирішили віддати своє життя якомога дорожче.
Після сходу сонця перси почали наступ. Елліни зустріли їх біля виходу з міжгір’я, запекло відбиваючи натиск численних перських загонів. Батогами гнали начальники нові юрби царських підданих в атаку. Коли в еллінів ламались списи, вони рубали мечами, коли ламались мечі, вони з одчайдушною хоробрістю діяли кулаками і зубами. Ось уже загинув сам Леонід і над його трупом зав’язався жорстокий бій. Чотири рази примушували спартанці тікати персів, які намагались захопити тіло доблесного вождя. Дедалі менше залишалось живих греків, проте і персів багато загинуло під Фермопілами. Два брати Ксеркса також загинули в цьому знаменитому бою. Та ось у тил грекам вдарили перси, яких привів зрадник Ефіальт. Тоді греки відступили за міжгір’я і мур, що його оточував. Тут, після останньої відчайдушної сутички, всіх їх було перебито. Ксеркс наказав відшукати труп Леоніда, відтяти голову і насадити її на спис.
Звістка про славну загибель захисників Фермопіл сколихнула всю Грецію. Двох спартанців, які залишились живими після бою, бо один був хворий і не пішов у бій, а другий був посланий вісником у Феосалію і затримався в дорозі, спартанці оголосили позбавленими честі. Ніхто не говорив до них, їх називали боягузами. Один не витримав загального презирства і покінчив життя самогубством, другий залишився жити і в новій битві з персами, при Платеях, змив із себе ганьбу мужньою смертю в бою. Проте й тоді спартанці відмовили йому в почесному похованні, якого звичайно удостоювали кожного, хто гинув за батьківщину.
Бій при Фермопілах показав перським загарбникам, на що здатний народ, який захищає свою незалежність.
