Пока персы выжидали, греческая армия у Фермопил и флот у Артемисия непрерывно поддерживали друг с другом связь. Зрелище громадной персидской армии и флота наполнило сердца греков такой тревогой, что большинство было за немедленное отступление с обеих позиций. Но Леонид и Эврибиад оставались непреклонны; последнего всячески поддерживал Фемистокл, которого впоследствии обвиняли в незаконном вымогательстве как ради защиты Греции, так и ради собственного кармана. На пятый день к грекам дезертировал ныряльщик Скиллий из Скионы; по сообщениям поздних авторов, для этого он проплыл под водой 10 миль, во что поверить невозможно. Тем не менее его поступок имел большое значение: он принес сведения об истинных масштабах бедствия, постигшего персидский флот, и об отбытии 200 трирем, которые уже огибали Эвбею. На совещании греческого морского штаба сперва решили оставаться до полуночи на прежней позиции, а затем пройти по проливу и на следующий день вступить в сражение с этими 200 триремами у Эврипоса. Но это означало оставить позицию у Фермопил без прикрытия и позволить персидскому флоту зайти ей в тыл. Однако в тот же день, когда персидский флот у Афет так и не сдвинулся с места, греки решили ближе к вечеру атаковать.

Тем временем у Фермопил началось сражение. Леонид удерживал узкий проход между утесами и морем, имевший в ширину около 50 футов (16 м). Для защиты своего лагеря греки восстановили здесь древнюю каменную стену. Прямо перед стеной проход расширялся, а затем снова резко сужался до 6 футов (около 2 м). Леонид собирался принять бой на пространстве между стеной и самым узким местом прохода; в его распоряжении оказалась узкая полоска длиной около мили, по которой его люди могли наступать и отступать. Примерно на том же расстоянии от стены, но уже позади нее, проход снова сужался около деревни Алпени, которую Леонид сделал своей базой снабжения. По прибытии на место Леонид узнал о горной тропе, по которой можно было миновать его позицию, и отправил туда фокийцев, вызвавшихся оборонять тропу. Ксеркс сперва выслал конного разведчика, который миновал самую узкую точку Фермопил и увидел со своей стороны стены лишь 300 спартанцев. Одни расчесывали волосы, которые не стригли со времени победы над аргивянами у Сепеи, другие выполняли гимнастические упражнения. На всадника они не обращали никакого внимания, и он вернулся и поведал царю об увиденном. Ксеркс удивился и рассказал об этом Демарату, изгнанному спартанскому царю, но тот предупредил его, что разведчик видел храбрейших в мире людей.

Предупрежддение оказалось уместным. В течение всего дня пехотинцы – мидийцы, кассийцы и даже персидские «бессмертные» – волнами накатывались по проходу, и их изрубленные тела устилали землю. Они оказывались бессильны против более длинных копий и тяжелых доспехов греческих гоплитов, особенно спартанцев, которые отступали, совершали поворот кругом и снова шли в атаку с почти парадной четкостью. Свою конницу Ксеркс вовсе не мог использовать, но надеялся, что непрерывные атаки его пехоты в конце концов сокрушат защитников. Персидские атаки безуспешно продолжались весь следующий день, греческие отряды посменно держали оборону. Вечером Эфиальт, грек из Малиды, сообщил Ксерксу о горной тропинке. Взяв его в проводники, командир «бессмертных» Гидарн выступил из персидского лагеря примерно в то время, когда в лагере зажигали огни.

Флот в течение этих двух дней также вел сражение. Когда ближе к вечеру греки начали наступать, персидский флот вышел на середину пролива. Перед численно превосходящим врагом греческие корабли выстроились в круг, кормами внутрь, а носами наружу, чтобы не дать персам зайти с тыла. Когда персидский флот окружил их со всех сторон, греки пошли на таран. Сражение было жарким, и его исход оставался неясен, когда наступила ночь и флоты вернулись на свои прежние позиции. В начале ночи над горой Пелион разразилась буря с грозой и проливным дождем. Ураган дул с юга, неся трупы и обломки кораблей с середины пролива к персидской стоянке. Этот же шторм разметал и отряд из 200 трирем, который обогнул мыс Герест и направлялся к Эвбейскому проливу. В темноте и под шквальным ливнем все до единого корабли разбились о скалистый берег Эвбеи. На следующий день новость об этой катастрофе, приключившейся с персами, прибыла к грекам одновременно с подкреплением из 53 афинских кораблей. Вероятно, их команды были набраны из последних людских резервов Афин. Они прошли по Эвбейскому проливу, не подозревая о приближении персидского отряда, а ночь переждали около Халкиды. Вечером греческий флот атаковал снова и до темноты потопил немало киликийских судов. Однако персы попрежнему превосходили греков по количеству кораблей, и Ксеркс запланировал атаку на полдень следующего дня.

На третий день в горах над Фермопилами только-только занимался рассвет, когда фокийцы услышали шорох опавших дубовых листьев и схватились за оружие. Осыпанные градом стрел, они отступили выше в горы и приготовились биться до конца. Но Гидарн и его «бессмертные» прошли мимо и начали поспешный спуск к Алпени. Леонида о приближении персов по горной тропинке еще ночью предупредили перебежчики. Когда он созвал командиров союзных отрядов на совещание, эту новость подтвердили часовые, на рассвете прибежавшие с горы. Мнения на совете разделились. Леонид приказал союзникам отступать, так как позиция у Фермопил фактически была потеряна, но спартанцы и фиванцы остались. Феспийцы и прорицатель Мегистий из Акарнании отказались подчиняться приказу об отходе. Они остались и погибли с Леонидом. Прочие успешно отступили в горы.

Леонид, зная о возможной атаке «бессмертных» с тыла, повел своих людей к самому узкому месту прохода. За час или два до полудня, когда пехота Ксеркса приготовилась к атаке, Леонид разместил войско на открытом месте перед этой тесниной и вступил в сражение с персами, которых подгоняли вперед плетки командиров. Тех, кто не погибал от руки греков, затаптывали следующие шеренги, и так уничтожались ряд за рядом. Вскоре у греков сломались копья, и они стали сражаться мечами. Леонид погиб, и над его телом трижды разгоралась схватка, пока греки не оттащили его назад. К тому времени уже приближались Гидарн и «бессмертные». Греки организованно отступили по ущелью за стену, заняв последнюю позицию на холмике. Там фиванцы подняли руки и сдались, отдавая себя на милость персов. Оставшиеся сражались до конца, окруженные со всех сторон и погибшие под градом метательных снарядов.

По приказу Ксеркса тело Леонида было обезглавлено и повешено на кресте. Остальных мертвых захоронили, а фиванцев заклеймили царским знаком. После окончания войны Дельфийская амфиктиония воздвигла спартанцам памятник с надписью: «Путник, расскажи лакедемонянам, что мы полегли здесь, исполнив их волю».

В полдень того же дня пошел в атаку персидский флот. Поскольку греческие корабли неподвижно стояли у Артемисия, персы выстроились полумесяцем, чтобы обогнуть вражеские фланги. Тогда греческий флот вышел навстречу и вступил в сражение. В общей тесноте персидские корабли часто таранили друг друга, но в целом битва привела к тяжелым потерям в людях и кораблях с обеих сторон. У персов особенно отличились египтяне, у греков – афиняне, среди которых самым решительным капитаном проявил себя богач Клиний, отец Алкивиада. К вечеру, когда флоты разошлись и половина афинских судов была выведена из строя, Эврибиад получил новости о падении Фермопил. Флотские командиры провели совещание на берегу и решили отступать. Как обычно, были разожжены костры, на них моряки жарили скот эвбейских поселян. В темноте флот отчалил: первыми коринфяне, последними афиняне. На рассвете персы увидели, что Артемисий покинут. Они вошли в пролив, грабя прибрежные деревни, и увидели многочисленные надписи, выбитые на скалах по приказу Фемистокла. Эти надписи призывали ионийцев и карийцев дезертировать, а если это невозможно, сражаться за персов в полсилы. Такой искусной пропагандой Фемистокл готовил почву для следующего сражения.