Ксеркс выжидал четыре дня, прежде чем совершил нападение. Он, как повествует Геродот, не оставлял надежды, что греки удалятся сами; но главная причина его медленности заключалась, вероятно, в том, что он поджидал прибытия флота, который должен был действовать против неприятеля с фланга. Он не знал, что флот его в это самое время имел дело с греческим флотом при Артимпсии, у северных берегов Эвбеи. На пятый день он решился сделать нападение. Вперед он послал мидян из Киссиен, поручив им взять неприятелей живыми и представить ему. Но мидяне встретили у первых, северных, ворот колонну гоплитов, стоявшую против них, как стена. Дело дошло до рукопашного боя, в котором мидяне понесли большие потери, не сделав ни одного шага вперед. Царь, смотревший на битву с возвышения неподалеку от Трахиса, приказал киссиянам заменить мидян. Когда и эти ничего не могли сделать, в битву было послано отборнейшее персидское войско, десять тысяч, бессмертных, составлявших отряд царских телохранителей, под предводительством Идарна. Леонид со своей стороны поставил также свежие войска, и именно своих спартанцев. Мидяне и киссияне дрались огромной массой на небольшом пространстве и тем мешали сами себе и давили друг друга. Идарн двинул свое войско небольшими отрядами; но перед ними был страшный, опытный в военном деле неприятель. Спартанцы небольшой, тесно сомкнутой колонной выходили за ворота, отбрасывали персов, потом как будто обращались в бегство и отступали за ворота в более широкое пространство; а затем, лишь только массы персов занимали дорогу, они поворачивали назад, опрокидывали густо столпившегося неприятеля или загоняли его в болото у моря. Этот маневр повторен был несколько раз, и персы понесли большие потери. Три раза вскакивал от ужаса Ксеркс со своего места, видя, как пятилась его гвардии и как наступали спартанцы. Наконец под вечер Идарн попытался еще раз всеми своими оставшимися войсками прорвать твердую позицию, но и этот удар не удался, спартанцы не отступили. В этот день Ксеркс потерял больше 6000 человек, не достигнув никакого результата.

Ha следующий день Ксеркс приказал снова сделать нападение, но персы опять дрались без успеха. Под вечер перед царем выступил один малеец, по имени Эфиальт, и в надежде на большую награду предложил ему показать тропинку через горы, по которой можно было зайти в тыл грекам. Впоследствии Эфиальт, из страха пред спартанцами, бежал в Фессалию, а Амфиктионы оценили его голову. По возвращении его он был убит одним жителем Трахиса, Афенадом, совсем по другой причине, но лакедемоняне тем не менее выдали последнему награду, назначенную за голову изменника. Ксеркс чрезвычайно обрадовался предложению Эфиальта и в тот же вече послал с ним Идарна с отрядом войска. Ночью они пробрались из Трахиса, по узкому ущелью, через дубовый лес, до вершины Каллидрома. Здесь стояли 1000 фокейцев, поставленных Леонидом для охраны тропинки. Они чрезвычайно небрежно исполняли свое дело, так что пробуждены были от сна только шелестом листьев под ногами уже приближавшихся персов. Осыпанные градом стрел, они поспешно отступили на вершину Каллидрома и оставили персам, которые более об них и не думали, свободный проход. Занялось утро, когда персы другим ущельем сошли к Альтиною.

Еще раньше прорицатель Мегистиас по жертве предсказал грекам, что в этот день их постигнет смерть. Уже ночью явились перебежчики и известили, что персы идут через горы; с рассветом лазутчики и караульные бежали с гор. Леонид нашел, что теперь уже невозможно более удержать проход; он был слишком слаб, чтобы с успехом отражать нападение с двух сторон. Поэтому, чтобы не жертвовать напрасно людьми, он отдал приказ отступить, всем другим отрядам, чтобы умереть геройской смертью с одними своими спартанцами. Сам он не смел отступить, он считал бесчестным покинуть пост, на который поставлен был своим отечеством. К тому же и оракул возвестил, что Спарта или погибнет, или будет оплакивать смерть своего царя. Итак, его смерть должна была предотвратить гибель отечества. Кроме спартанцев, с ним добровольно остались храбрые феспийцы со своим предводителем Димофилом. Фиванцев Леонид насильно удержал при себе, потому что если бы их отпустить, они стали бы поддерживать армию неприятеля, между тем как, сражаясь против Ксеркса, они возбудят его гнев против своего отечественного города. Таким образом, всего у Фермопил осталось около 1200 гоплитов.

Ксеркс помолился восходящему солнцу и повел свои войска в атаку. В 10 часов утра, как он условился с Идарном, против греков должно было открыть действие с обеих сторон. Он еще ожидал условленного часа, как греки, собравшись вокруг Леонида, бросились в атаку из северного прохода в открытое место; с тыла они были прикрыты от войска Идарна стеной, которую в прежние времена фокейцы возвели в северном проходе. Решившись на смерть, спартанцы и феспийцы дрались со страшным остервенением, не щадя ни себя, ни неприятеля персы не смели отступить; за их спиной стояли начальники с бичами и гнали их вперед. Многие из персидских солдат падали в море и тонули, гораздо большее число их было заживо раздавлено другими. Копья греков производили страшное опустошение среди плотно сдавленной массы. Когда же копья спартанцев и феспийцев поломались, они пошли на персов с мечами. После геройской борьбы пал Леонид и с ним много знатных спартанцев; но зато погибло и громадное число персов, между прочим, и два брата Ксеркса. Около трупа Леонида произошла страшная давка, пока храбрые греки не успели унести его и четыре раза обратили неприятеля в бегство. При известии, что Идарн находится внизу долины, тесно сомкнутая горсть греков обратилась назад и пошла против него чрез ворота в стене. Копья и мечи греков были изломаны, и они сражались тупыми концами копий, ручками мечей, а когда и эти орудие сделались негодными, они защищались кулаком и зубами. Между тем главное войско персов разрушило стену и открыло наступление; храбрые бойцы были окружены со всех сторон. До смерти утомленный остаток греков расположился на небольшом холмике. Персы осыпали их градом стрел и умертвили всех до последнего.

Фиванцы, под начальством своего предводителя Леонтиада, сражались заодно с греками против персов, пока главное войско Ксеркса не проникло в проход. Тогда они отделились от греков, бросили оружие и пошли навстречу персам с распростертыми руками, крича, что их принудили сражаться и что их отечественный город совершенно предан персам. Но этим они немного выиграли. Персы, захватив их, умертвили некоторых из них, а остальным, начиная с Леонтиада, по приказанию Ксеркса, выжгли каленым железом клеймо царских рабов.

Ксеркс, после сражения осмотрев убитых и заметив труп Леонида, приказал его обезглавить и распять на кресте. Этим поруганием павшего героя царь опозорил только самого себя. На холме, где пали последние из греков, спартанцы воздвигли своему храброму царю кенотаф (пустую гробницу) со стоящим на нем львом из камня. Надпись на кенотафе, составленная Симонидом, гласит:

Спартанцам, павшим вместе с Леонидом, на то месте, где они сражались и были погребены, сделана была следующая надпись: