Леонид знал, что это конец. Он отослал всех своих пелопоннесских союзников, оставив при себе, кроме спартанцев и илотов, только воинов из Беотии. Их земля, лежавшая к северу, уже была утрачена, и вполне можно было ожидать, что они и сами пожелают остаться и умереть вместе со спартанцами. В тот день, пока в море шло сражение, крошечная сила, оставшаяся на берегу, приготовилась дорого продать свою жизнь.
Леонид и его воины все знали наперед. Еще до начала войны Дельфийский оракул предрек, что царь Спарты должен умереть, чтобы его родная страна не подверглась вторжению. Вполне вероятно, что Леонид с готовностью пошел на смерть. С ним был прорицатель Мегистий, который, рассмотрев внутренности жертвенного животного, предсказал грядущую гибель всем эллинам в Фермопилах. Несмотря на то что Леонид заранее отослал его в безопасное место, Мегистий предпочел остаться с царем до конца.
«Между тем Ксеркс совершил жертвенное возлияние восходящему солнцу и, выждав некоторое время, выступил». Он знал, что очень скоро «бессмертные» спустятся с горы и ударят в тыл грекам. Но Леонид и спартанцы не собирались покорно оставаться на месте и ждать смерти. «Эллины бросились врукопашную уже вне прохода, и в этой схватке варвары погибали тысячами… они проявили величайшую боевую доблесть и бились с варварами отчаянно и с безумной отвагой».
Персы были потрясены поведением этих людей, и даже в этот день определенной победы они не могли не ужасаться своим потерям. «За рядами персов стояли начальники отрядов с бичами в руках и ударами бичей подгоняли воинов все вперед и вперед. Много врагов падало в море и там погибало, но гораздо больше было раздавлено своими же. На погибающих никто не обращал внимания». По крайней мере, так пишет Геродот. По его же словам, сосчитать мертвых было невозможно.
В конце концов греки были сломлены. Сам Леонид пал в гуще сражения. «За тело Леонида началась жаркая рукопашная схватка между персами и спартанцами, пока наконец отважные эллины не вырвали его из рук врагов (при этом они четыре раза обращали в бегство врага)». Тело царя принесли туда, где греки приготовились стоять насмерть. Их последняя оборонительная позиция находилась в узкой теснине, в месте, где ее пересекает стена. Именно здесь уцелевшие греки объединились в небольшой сплоченный отряд. Они сражались с отчаянием обреченных, и, когда их мечи и щиты были сломаны, в ход пошли камни, а потом руки и зубы.
При Фермопилах греки потерпели физическое поражение, при этом одержав моральную победу. Хотя в то время весть о гибели царя Леонида и его элитной гвардии потрясла всю Грецию, позже стало ясно, какую огромную цену заплатил за эту победу персидский монарх. Более того, после морского боя при Артемисии, хотя греки и понесли тяжелые потери, персидский флот, уже обескровленный потерями у мыса Сепиада и у восточного побережья Эвбеи, был в весьма непрезентабельном состоянии. Греки сумели вернуться из Артемисия через канал Эвбеи в Афины. За ними была дружественная им территория, они имели время и средства для ремонта. Персы, с другой стороны, были вынуждены держаться в море у враждебного побережья.