當波斯人臨近的時候，斯巴達國王列奧尼達僅帶了３００人來增援。波斯大軍在溫泉關不遠的平原扎下大營以后，薛西斯首先展開了心理攻勢。他派人捎信給希臘守軍，說波斯兵多得數不清，光是射擊的箭矢就能把太陽遮住。勇敢的斯巴達人那能被嚇著，他們嘲笑說：“那太好了，我們可以在蔭涼里殺個痛快”。過了兩天，薛西斯又派人去打探希臘人的動靜，回報說希臘人把武器堆在一邊，有的梳頭、有的做操，絲毫沒有打仗的樣子。薛西斯大為奇怪，問詢知情者后方知，戰前梳頭是斯巴達人的習慣，意味著將要玩命血戰。薛西斯又耐心地等了四天，見守關的希臘人沒有絲毫投降的樣子，便下了命令，用武力活捉這些不知好歹的希臘人。根據溫泉關地勢險要、山道狹窄，部隊不能展開行動，騎兵和車派不上用場的特點，薛西斯采取了派重裝步兵輪番沖擊的強攻戰法，企圖利用人數的優勢打垮斯巴達人。而斯巴達人卻利用溫泉關“一夫當關，萬夫莫開”的地形優勢，居高臨下，用鋒利的長矛兇狠地刺向手持波斯刀的敵人。波斯人倒下了一批又一批，攻打了一天又一天，卻沒能前進一步。

　　薛西斯無奈，只好拿出最精銳的一萬名御林軍投入戰斗，但除了拋下大片尸體外，還是攻不上去。見此情景，薛西斯急得三次從他督戰的寶座上站起來，皺著眉頭，抖動著胡子，狂躁地吼叫不已。正當薛西斯無計可施的時候，一個名叫埃彼阿提斯的當地農民來報告說，有條小路可以通到關口的背后。薛西斯一聽，大喜過望，立即命令這個希臘叛徒帶領御林軍沿著荊棘從生的小道直插后山。他們穿峽谷，渡溪流，攀山崖。黎明的時候，越過一片橡樹林，接近了山頂。本來，列奧尼達在小路旁的山嶺上早已布置下１０００余名來自佛西斯城邦的守兵。因數日無戰事，他們便放松了警惕，直到寂靜的黑暗中傳來嘈雜的腳步聲時，他們才慌忙披掛上陣。波斯人已到跟前，羽箭像雨點般射來，佛西斯人敗走了。波斯人也不追趕，直向溫泉關背后插了下去。

　　斯巴達王列奧尼達得知波斯軍迂回到背后時，知道大勢已去。為保存實力，他把已無斗志的其他城邦的軍隊調到后方去，只留下他帶來的３００士兵迎戰。因為按照斯巴達傳統，士兵永遠不能放棄自己的陣地。７００名塞斯比亞城邦的戰士自愿留下同斯巴達人并肩作戰。前后夾攻的波斯人潮水般撲向關口，腹背受敵的斯巴達人奮勇迎戰。他們用長矛猛刺，長矛折斷了，又拔出佩劍劈砍，佩劍斷了，波斯人擁了上來。斯巴達的勇士們殺退了敵人的四次進攻，拼死保護自己的統帥。他們的人數越來越少，逐漸被壓縮到一個小山丘上。殺紅了眼的波斯人，將殘余的斯巴達人死死圍住，在口令聲中將雨點般的標槍投向他們，直到最后一個人倒下。至此，溫泉關才最終被攻占了。付出兩萬波斯士兵生命的溫泉關血戰，對于薛西斯來說，就象是一場惡夢。一想到血戰到底，寧死不屈的斯巴達勇士，他就心驚肉跳地問：“斯巴達人是不是都是這樣的？”

　　據說，波斯人在打掃戰場時只找到了２９８具斯巴達人的尸體。原來，有兩個斯巴達人沒有參加戰斗。一個是因為害眼病，一個是因為奉命外出。戰后，他倆回到斯巴達時，家鄉的人都非常鄙視他們，誰也不理他們。其中一個人受不了這種屈辱，自殺了。另一個在后來的戰斗中犧牲，但斯巴達人還是拒絕把他安葬在光榮戰死者的墓地中。大約在溫泉關希臘守軍死戰的同時，雙方海軍在阿爾鐵米西昂附近的水面上發生激戰，互有損傷。不久希臘海軍獲悉溫泉關失奪，遂退出戰場，南撤可提卡附近的薩拉米海灣。中希臘的陸海門戶都被打開了，希臘聯軍首戰受挫，雅典岌岌可危。