Эллины встретили врага у выхода из теснины, с ожесточением отражая натиск многочисленных персидских отрядов. Когда у греков ломались копья, они рубили мечами, если ломались мечи, они с отчаянной храбростью действовали кулаками и зубами. Пал сам Леонид, и над его телом завязалась жестокая схватка. Четыре раза обращали спартанцы в бегство персов, старавшихся завладеть телом доблестного вождя. Все меньше и меньше оставалось в живых греков, но и множество персов погибло под Фермопилами. Два брата Ксеркса были убиты в этом знаменитом сражении.
Греки постепенно отступили за теснину и ограждавшую ее стену. Здесь после отчаянной последней схватки они все до одного были перебиты. Ксеркс приказал отыскать труп Леонида и обезглавить его.
В течение нескольких дней греки отбивали атаки персов у Фермопил. В это время греческий флот сумел отойти к Афинам. По всей видимости, если бы персы быстро прорвались в Среднюю Грецию, под давлением с моря и суши греческие триеры погибли бы вместе с экипажами.
Но оборона Фермопил имела, кроме стратегического, и огромное патриотически-воспитательное значение для греков – как современников описанных событий, так и последующих поколений. Впоследствии на месте исторической битвы был установлен памятник в виде льва, на котором были начертаны слова поэта Симонида:
Странник! Ступай и поведай ты гражданам Лакедемона,
Что, их заветам верны, здесь мы костями легли.
Спартанец, посланный Леонидом за подкреплением и таким образом оставшийся в живых, через некоторое время покончил с собой.
Пройдя Фермопильское ущелье, персы вошли в центральную часть Греции. Беотия немедленно подчинилась завоевателям. Основные силы греков в это время находились у Истма. В этой ситуации граждане Афин пошли на крайние меры, приняв план Фемистокла: все боеспособные мужчины сели на корабли, отправив жен, детей и стариков на о. Саламин и в соседнюю Трезену. Захватив крупнейший город Греции, персы предали его разорению, сжигая дома и разрушая храмы (некоторые памятники увезли в Персию).
Спартанцы продолжали убеждать остальных членов союза в том, что оборону надо вести на Истме, а флот отвести к Пелопоннесу. Однако Фемистокл, веря в афинский флот, настаивал на морском сражении поблизости от берегов Аттики. Оно и произошло у острова Саламин 23 сентября 480 г. до н. э.