薛西斯不信希腊军吞了熊心吃了豹子胆，对波斯大军还敢负隅顽抗。于是，按兵不动，等待敌人自行逃亡。4天过去了，希腊人仍然无动于衷，既不逃跑也没挑战，根本不把波斯大军放在眼里。薛西斯等得不耐烦，认为希腊人留在那里只不过是显露无耻和愚蠢。他把米底人和奇西亚人派了出去，命令他们把敌人生擒活捉并带到他跟前来。
一交手才领教到希腊人的厉害。米底人最先冲了上来，结果死伤惨重，而希腊人伤亡极少。两轮进攻下来，温泉关稳固如初，关前阵地上满是波斯战士的尸体。国王的人多，但顶事的很少，这使薛西斯大为恼火。他下令让最精锐的部队“万人不死队”上阵。许多人以为这场战斗很容易被他们解决，但交起手来，并非如此，波斯人比米底人也强不到哪里去。狭路相逢勇者胜，波斯人的武器短，且没有盔甲，又不能发挥其数量上的优势。斯巴达人的战术也比波斯人高明。比如，有一种战术是诈败逃走，当波斯军追击并将要追上时，他们又来一个回马枪，把许多敌人刺倒在地。总之，波斯人用什么办法进攻都没能攻占隘路，只得退兵。
两军作战之际，薛西斯在高处观战。看到波斯人连现败绩，竟有3次从王座上跳起来，破口大骂败下阵来的都是饭桶。就这样，一直战到天色渐晚，双方才各自收兵回营。第二天，双方列阵再战，但战况如昔，波斯军队依然讨不到什么便宜，取不得丝毫进展。他们原以为希腊军人数这么少，纵然伤亡不大，毕竟作战疲劳，寡不敌众，应无法对抗了，但希腊人按着队伍和城邦，轮番出战，只留下佛基斯人在山上把守，防止敌人迂回包抄。这样3天打下来，波斯军伤亡不少，但寸土未夺，无计可施。
面对这种事态，薛西斯第一次不再狂妄自大，而感到手足无措起来。正在薛西斯一筹莫展之际，当地一个叫埃披阿尔铁司的人求见。他告诉波斯国王，他知道一条绕过山通向温泉关的小道，只要薛西斯给他一笔重赏，他就答应做向导，抄小路直捣温泉关背后。薛西斯犹如绝处逢生，真是大喜过望，立刻命令“万人不死军”的首领叙达尔涅斯及其麾下的士兵准备出发。大约掌灯时分，在埃披阿尔铁司的带领下，波斯军从营地出发了。
这条道路是当地人发现的一条险峻的羊肠小路，它的起点是在峡谷中间流着的阿索波司河。这条山路沿着山蜿蜒而行，直到罗克里斯人的阿尔塔诺斯镇。从这里下去，就是温泉关了。原来佛基斯人在温泉关口修筑工事防御进攻的时候，当时的玛里司人就引导着帖撒利亚人从这条路去征讨佛基斯人。过后，玛里司人就觉得这条道路完全无用了。
在这条山路旁的侧山岭上，有1000名佛基斯重武装兵守备着他们的国土和这条通路。由于连日以来关前战事虽酣，山上却无事，他们不免有些大意。波斯人摸黑行进了一夜。由于山上长满了橡树，佛基斯人丝毫不知道波斯人的到来。当波斯人临近，脚下踏着树叶的沙沙声在宁静的气氛中传来时，佛基斯人才觉不妙，赶紧披挂上阵。但是波斯人已经到跟前，他们当时就吓了一大跳，他们原以为不会遇到什么敌人呢。统率这支波斯军队的叙达尔涅斯也惊出了一身冷汗，害怕又遇到了斯巴达这种强硬的对手。那希腊叛徒埃披阿尔铁司赶忙安慰他，说这不是斯巴达人，而是佛基斯人。叙达尔涅斯马上胆子壮了起来，命令手下一阵猛射。佛基斯人受到枪林箭雨的袭击和威胁，以为波斯人把首攻目标选准了他们，赶快逃至山顶，据险自守。波斯军队并不追赶他们，直向列奥尼达斯的后方插了下去。
听说敌人抄后路袭来，列奥尼达斯心中叫苦不迭，急忙召开紧急会议。那些胆战心虚的与会者振振有词地说，留得青山在，不怕没柴烧，趁现在还来得及，赶紧撤退，免遭全军覆没的危险。而那些主战的人则表示纵然战死，也决不后退半步，誓与阵地共存亡。列奥尼达斯见这些主张撤退的联盟者已是情绪低落，斗志全无，即使作战，恐怕也难有什么作为。强扭的瓜不甜，列奥尼达斯大手一挥，愿留则留，愿走则走，悉听尊便。于是，大多数城邦军各自回国，只留下列奥尼达斯和他手下300名斯巴达战士。按照斯巴达的传统，士兵永远不能放弃自己占据的阵地。据说，列奥尼达斯早就清楚，自己留在这里必会战死，但可以名彪青史，传诸后世，还可以保住斯巴达。因为在战争开始之际，斯巴达曾到特尔斐去请示神谕。祭司预言说，要么斯巴达被摧毁，要么他们的国王死掉。神谕的内容如下：
哦，土地辽阔的斯巴达的居民啊，对你们来说，或者是你们那光荣、强大的城市毁在波斯人的手里，或者是斯巴达的土地为出自海拉克列斯家的国王的死亡而哀悼。因为牡牛和狮子的力量都不能制服你们的敌人。他有宙斯那样的力量，而且他到时你也无法制止。
他有宙斯那样二者之一，并把它取得的东西撕得粉碎。
和斯巴达人一块留下的有700名铁司佩亚人，他们自愿留下来，决心与斯巴达战友同生共死。此外，还有400名底比斯人，他们不是自愿，而是作为人质被强行留下的。后来在作战中，底比斯人最终还是投靠了波斯人。
日出之际，薛西斯开始发动了进攻。波斯军如猛虎下山，直扑而下，与绕山、攀山的情形大不相同了。这时的希腊军在列奥尼达斯的率领下不再坚守毫无意义的隘关壁垒，而是退到比较宽阔的地带，抱着必死的决心，列队迎战。波斯军潮水般地涌过来，很快两军就搅在一起，你死我活地拼杀起来。希腊人知道敌人从后路包抄，生还无望，就豁出一切地拼起命来，斩杀敌人无数。他们大多长枪断了，用佩剑砍。佩剑断了，用拳和牙。在这番苦战中，英勇的斯巴达国王列奥尼达斯先行战死。为了抢夺他的遗体，波斯人和希腊人展开了激烈的拉锯战，希腊人4次击退了敌人，把国王的遗体拉走。当敌人越来越多时，希腊人且战且退，又退回到原来的工事里，在一座小山头上列阵再战。一时间，杀得天昏地暗，日月无光，阵地上敌尸狼藉，鲜血染红了大地，而诸多希腊士兵也相继倒下。波斯人毕竟人多势众，他们从正面进攻，摧毁工事；从侧面进攻，四面进击。最后，杀红了眼的波斯人在一声号令之下，把标枪下雨般地投向希腊士兵。至此，守阵的希腊官兵全部壮烈牺牲。
波斯人在这场战斗中也损失惨重。作战的时候，波斯军队的长官在部队后面，用皮鞭抽打士兵使之前进。因此，许多人被挤到海里淹死，更多的人相互践踏而死，加上战死的人，伤亡竟达两万余人。其中，就有薛西斯的两个兄弟阿布科美斯和叙佩兰铁司。
在斯巴达人中，除国王列奥尼达斯之外，还有一个英雄狄耶涅凯斯，亦为斯巴达人民所怀念。他是最勇敢的战士之一。交战之前，当有人告诉他，敌人是如此之多，以至于他们射箭时竟可以把太阳遮盖起来，狄耶涅凯斯毫不惊慌，幽默地说，他的朋友给他带来了一个十分吉利的消息。如果波斯人把太阳都给遮住，那他们就可以在日阴下，而不是阳光下与敌人作战了。他的乐观态度感染、激励了战友们的斗志。在斯巴达的数百名将士中，埃乌律托司和阿里司托戴莫斯因为生病在得到允许后，离开了阵营，在离温泉关不远的后方养病。听到大战爆发，埃乌律托司便要求佩带武器，命令他的奴隶引领他去参加战斗，最终牺牲在战场上。他的战友阿里司托戴莫斯气馁了，留在后面，后来安全地回到斯巴达。回去后，他遭到人们的非议和蔑视，称他为懦夫。没有一个人愿意把火给他，没有一个人愿意同他说话。在后来的战斗中，他英勇战死，洗雪了这次耻辱。当时，还有一个名叫潘提铁斯的被作为使者派到帕撒利亚去了，没有参加战斗，平安回到了斯巴达。他在人们的非议中，自缢而死。可见，斯巴达人对荣誉是多么看重。但斯巴达人的顽强抵抗，招致了波斯国王的无比愤恨。薛西斯一改往常那种善待英勇战死的敌人尸体的做法，把列奥尼达斯的头砍下来，插到杆子上示众。但斯巴达及希腊人永远纪念他们在温泉关战役中的英勇行为。
现在，在温泉关依然耸立着几块引人注目的石碑，永远让人纪念这段历史。为温泉关战役阵亡之墓题的碑文是：
四千名伯罗奔尼撒人曾在这里对三百万敌军奋战。
黄土埋葬了你，
列奥尼达斯，威武的拉哥尼亚国王，
一起在这里战死的光荣勇士！
此役中他们遭到波斯人箭雨和快马的无数次冲击。
第三块碑文刻在入口的一尊石狮子身上，用此纪念列奥尼达斯：
我现在高踞在石头上守护的这个人，
如果称他为雄狮，
我也不如他英勇，
在他的坟上我连自己的爪子也不敢擦一擦。
有一块专门纪念斯巴达人的碑文：
过客啊，去告诉斯巴达人，
我们是遵从他们的命令长眠在这里的。
碑文都是古希腊著名诗人西摩尼德斯撰写的。内容虽短，意义悠长。它作为顾全大局、临危不惧、忠于职守的精神象征，永远值得后人学习和怀念。1903年，鲁迅先生在《浙江潮》撰文《斯巴达之魂》，借温泉关战役的事迹，激励中国青年为民族崛起而奋斗。他称赞道：“巍巍乎温泉门之峡，地球不灭，则终存此斯巴达武士之魂。时到今日，常有许多人到那里凭吊旧迹，缅怀英雄。”
温泉关之战使薛西斯初步领教了希腊人的厉害，想想以后的战斗心里多少有点不踏实。他又把戴玛拉托斯召来，想进一步探究解决斯巴达人的办法。他说：“戴玛拉托斯，你是个诚实的人。事实证明你所说的都是实话。现在请你告诉我，剩下的斯巴达人还有多少？是不是都这样打起仗来不要命？”戴玛拉托斯回答说：“陛下，斯巴达人的总数是比较多的，他们的城市也比较多。其他的斯巴达人虽然不是这般拼命，但也都是很英勇的。”薛西斯向戴玛拉托斯征求击败斯巴达人的良策，因为戴玛拉托斯曾是斯巴达僭主，对此应该心中有数。
于是，戴玛拉托斯给薛西斯献上一计说：“国王啊，依我之见，您最好派水师中的300只战船到斯巴达沿岸去，占领沿岸的库铁拉岛，并以这岛为根据地，向斯巴达人发起攻击。如果敌人在他们的家门口，他们就决不会派出援兵去援助其他城邦。这样，您的陆军就可以横扫希腊了。最后，就只剩下一个孤零零的斯巴达，那时再对付它就轻易得多了。如果您不这样做，就必须一步步地来，要征服斯巴达必须通过科林斯地峡。而在那里，全体伯罗奔尼撒人会和您对抗，到时战争会更加顽强，更加激烈。如果按我的建议，地峡以外的城邦有可能不战而降，全都站到您这边来。”说这话时，波斯水师提督、薛西斯的兄弟阿凯美涅斯恰好在座。他提出了不同的看法，认为如果按戴玛拉托斯的建议，派出300只船，那么加上先前大风暴中损失的400只船，就去了一大半。在数量上对希腊水师的优势就不大了，也就没有胜算的把握了。所以，他认为不分散兵力为好。况且，陆军和水师现在可以相互协调作战。如果派300只船孤军远征，未必能达到目的。薛西斯最终听从了阿凯美涅斯的意见，对戴玛拉托斯的意见也表示赞许。其实，哪个人不向着自己的母邦？戴玛拉托斯也是身在曹营心在汉。早在波斯首都苏撒时，他一听到薛西斯决定征讨希腊的消息，马上派人通过秘密的方式把这条消息送给了斯巴达人，并继而通告了其他城邦，为各城邦的应战提供了极为宝贵的信息。所以，他的建议的真实性和可行性都是靠不住的。
（二）海军：不对称的水上较量
当温泉关发生战斗之时，在阿尔铁米西昂的希腊水师与波斯水军也交上了火。
希腊水师的组成情况是这样的：雅典人提供了127只船，科林斯人40只，麦加拉人20只，卡尔泊斯人提供了20只船的兵员，船是雅典提供的。此外，埃吉纳人18只，希巨昂人12只，斯巴达人10只，埃披道洛斯人8只，埃列特里亚人7只，特洛伊亚人5只，司图拉人2只，凯欧斯2只五十桨船。罗克里斯人也带来7只五十桨船前来助阵。所以，希腊水师只有三段桡船的战舰271艘，与波斯的八百余艘相比，确实要少得多。希腊水师的统帅是斯巴达人优利比亚戴斯。
原来，水师组建之初，就风传说要把海军的领导权交给雅典人，因为他们的船只占总数的一半。但斯巴达及其他联盟者表示反对，放言说如果海军司令不是一个斯巴达人的话，他们宁愿不参加这个水师，以免受雅典人的指挥。这一结果是希腊城邦之间矛盾冲突的反映。比如，埃吉纳人与雅典人积怨甚深，只是大敌当前，才勉强走到一块。如果让雅典人做他们的领导，那是万万不可接受的。雅典人鉴于大敌当前，以大局为重，同意让出海军领导权。
起初，当希腊的水师刚到阿尔铁米西昂海角时，看到无边无际的波斯军停泊在海面上，马上就有人惊慌了，商量着怎样撤退到希腊内地自己的家乡去。这可急坏了优卑亚岛上的埃乌波亚人。他们去请求希腊水军统帅优利比亚戴斯，要等他们把家人送走之后，水军再商议撤退之事，但没有得到应允。埃乌波亚人另想了一个办法：他们送给雅典水师统帅特米托克列斯30塔兰特白银的贿赂，条件是当埃乌波亚人与波斯人发生保家卫国的战斗时，希腊水师应该留在那里，为保卫埃乌波亚而战。
