Fila tras fila los persas se estrellaron contra las lanzas y escudos espartanos sin que estos cedieran un centímetro. De esta forma, a pesar de la grave desventaja numérica, Leónidas y sus hombres se opusieron a las oleadas de soldados enemigos con un número mínimo de bajas, mientras que las pérdidas de Jerjes —aunque minúsculas en proporción a sus fuerzas— suponían un golpe para la moral de sus tropas. Durante las noches, Leónidas solía decirles a sus hombres: «Jerjes tiene muchos hombres, pero ningún soldado».
Frustrado e impaciente, Jerjes envió al frente a sus diez mil Inmortales, su fuerza de élite, llamados así porque cada vez que un Inmortal caía, otro corría a reemplazarlo, manteniéndose en la cantidad fija de diez mil hombres. Sin embargo, los resultados fueron los mismos. Los persas morían a cientos, la moral del ejército decaía y los griegos no mostraban signos de cansancio. La batalla continuó de esta forma durante tres días. Fue entonces cuando Jerjes, abatido, recibió la ayuda que necesitaba.
Un griego llamado
Efialtes (que significa «pesadilla») ofreció mostrarle a Jerjes un paso alternativo que rodeaba el lugar donde estaba Leónidas para acabar con su resistencia de una vez por todas. Sin dudarlo, Jerjes envió un importante número de sus fuerzas por ese paso. Este paso se encontraba defendido por los focios, pero al verse sorprendidos durante la noche por los persas, huyeron al primer contacto, sellando de esta manera la suerte de los defensores de las Termópilas.
Cuando
Leónidas detectó la maniobra del enemigo y se dio cuenta de que le atacarían por dos frentes, reunió un consejo de guerra, donde ofreció a los griegos dos opciones: podían irse por mar a Atenas o permanecer en las Termópilas hasta el final. Es en este punto donde Heródoto menciona su creencia de que Leónidas permitiera la marcha de los aliados influenciado por «la consulta previa que, a propósito de aquella guerra, realizaron los espartiatas al
Oráculo nada más estallar la misma. La respuesta que recibieron de labios de la
Pitia fue que
Lacedemón sería devastada por los bárbaros o que su rey moriría. Esa respuesta la dictó a los lacedemonios en versos hexámetros y rezaba así»:
Mirad, habitantes de la extensa Esparta,
o bien vuestra poderosa y eximia ciudad es arrasada por los descendientes de Perseo, o no lo es;
pero, en ese caso, la tierra de Lacedemón llorará la muerte de un rey de la estirpe de Heracles.
Pues al invasor no lo detendrá la fuerza de los toros o de los leones, ya que posee la fuerza de Zeus.
Proclamo, en fin, que no se detendrá hasta haber devorado a una u otro hasta los huesos.
Quedaron él, los lacedemonios y algunos tebanos. Mientras el resto de la fuerza que había decidido irse se retiraba hacia Atenas, los 300 soldados de la guardia de Leónidas y mil griegos leales (los tespios y los de Tebas) se quedaron a presentar batalla y resistencia hasta el final; la suerte estaba echada. Al despuntar el alba del cuarto día, Leónidas dijo a sus hombres: «
Tomad un buen desayuno, puesto que hoy cenaremos en el Hades». Fue tal el ímpetu con el que los espartanos lucharon que Jerjes decidió abatirlos de lejos con sus arqueros para no seguir perdiendo hombres. Leónidas fue alcanzado por una flecha y los últimos espartanos murieron intentando recuperar su cuerpo para que no cayera en manos enemigas.