Два дня подразделения персидской армии поочередно атаковали оборонительные позиции греков, но так и не смогли добиться успеха. Греков нельзя было заставить покориться одним только численным превосходством. В качестве свидетельства лаконичного подхода спартанцев к многочисленности персидской армии Геродот цитирует некоего Диенекеса, который, получив известие о том, что у персов так много лучников, что их стрелы закроют солнце, ответил, что это хорошая новость, значит, «мы будем сражаться в тени». Над такой силой духа не могло быть легкой победы. Утверждают, что за первые два дня Ксеркс трижды в ужасе вскакивал на ноги, потрясенный грандиозностью своих потерь.
На третий день, в попытке ослабить давление на армию, а также надеясь, что победа на море ослабит греков, которые будут обойдены с фланга, персы «спустили на воду все свои корабли и… поплыли в залив, ведущий к Пагасам». Греческие триремы сразу вступили в бой, и началось ожесточенное сражение, длившееся весь день. В конце этого морского боя, получившего название «битва при Артемисии», обе стороны понесли большие потери. Афиняне потеряли почти половину своих кораблей. Потери персов тоже были велики, и обе стороны были рады, когда заход солнца положил конец бою. Пока шел первый морской бой, спартанцы при Фермопилах были сражены. Как это нередко случалось и случается до сих пор, их предали.
Грек-предатель Эфиальт (Эпиальт у Геродота) пришел к персидскому монарху и сказал, что знает тропу, ведущую через гору. Она ведет в длинное ущелье между двумя хребтами. Пройдя по ней, войско обойдет греков с фланга. Секрет, который Эфиальт обещал раскрыть, – это узкая горная тропинка, которая приведет персов в это ущелье. Ксеркс и его советники решили отправить по ней «бессмертных», самых дисциплинированных воинов из всей персидской армии. Все они были персами, а значит, привычными к горным дорогам. Леонид, знавший, что существует возможность обхода его позиций с фланга, поставил тысячу фокейцев, чтобы охраняли гору. Однако, как утверждает Геродот, «поднимались персы на гору незаметно, так как вся она густо поросла дубовым лесом. Стояла полная тишина, и, когда внезапно раздался сильный треск (от листвы, шуршавшей под ногами воинов), фокейцы (у Геродота фокийцы) вскочили и бросились к оружию». Персы были уже на вершине. Фокейцы были застигнуты врасплох и имели недостаточную численность. Они отступили под градом стрел к возвышенности и приготовились защищаться до последнего, ошибочно предположив, что персы атакуют именно их. Но те их проигнорировали и со всей возможной скоростью продолжили движение вниз. К рассвету они уже были на побережье, обойдя греков с фланга.