Sabiendo que sus líneas iban a ser sobrepasadas, Leónidas despidió a la mayor parte del ejército griego, permaneciendo allí para proteger su retirada junto con 300 espartanos, 700 tespios, 400 tebanos y posiblemente algunos cientos de soldados más, la mayoría de los cuales cayeron en los combates.

Dado que su estrategia requería mantener tanto las Termópilas como Artemisio, y ante la pérdida del paso, la armada aliada decidió retirarse a Salamina.

Al año siguiente, sin embargo, los aliados consiguieron la victoria decisiva en la batalla de Platea, que puso fin a la invasión persa.

Estas ciudades pertenecían a la denominada Jonia helénica, la cual fue tomada totalmente por los persas tras la caída del reino de Lidia.

Atenas, con la finalidad de hacer frente a la invasión, solicitó ayuda a los espartanos para luchar pero, como se ha dicho, el origen del problema residía en las colonias griegas en Asia, y Esparta no había fundado ninguna ni tampoco las había ayudado en la rebelión.

[9]​ Darío murió durante los preparativos contra Egipto y el trono de Persia pasó a su hijo, Jerjes I,[17]​ quien aplastó la rebelión egipcia.

Este paso podía bloquearse fácilmente con los hoplitas griegos a pesar del abrumador número de soldados persas.

[28]​ Jerjes decidió construir puentes sobre el Helesponto para permitir a su ejército atravesar desde Asia hasta Europa, y cavar un canal a través del istmo del monte Athos (canal de Jerjes) para que lo atravesaran sus naves (una flota persa había sido destruida en 492 a. C. mientras rodeaba ese cabo).

[33]​ La expedición debería intentar agrupar el mayor número posible de aliados sobre la marcha y esperar a la llegada del ejército espartano principal.

En respuesta, Leónidas envió a 1000 soldados focidios para que se estacionaran en las alturas y evitasen esta maniobra.

La historiografía actual considera más o menos realistas los datos sobre los efectivos griegos y, durante muchos años, la cantidad ofrecida por Heródoto sobre los persas no fue puesta en duda.

Por lo tanto, una posible explicación para la diferencia entre estas dos cifras podría ser la existencia de 900 ilotas en la batalla (tres por cada espartano).

[50]​[51]​ Los números cambiaron a lo largo de la batalla, esencialmente cuando la mayor parte del ejército se retiró y sólo permanecieron en el campo de batalla aproximadamente 3000 hombres (300 espartanos, 700 tespios, 400 tebanos, probablemente 900 ilotas y 1000 focidios, sin contar con las bajas sufridas en los días anteriores).

Los griegos, que habían acampado a orillas de las termas, le permitieron llegar hasta el campamento, observarles, y partir.

[54]​ Heródoto cuenta de la batalla, a propósito del gran tamaño del ejército persa, la famosa anécdota según la cual, en palabras del autor, el más valiente de los griegos fue el espartano Diéneces, pues antes de entablarse el combate dijo a los suyos que le habían dado buenas noticias, pues le habían dicho que los arqueros de los persas eran tantos que «sus flechas cubrían el sol y volvían el día en noche, teniendo entonces que luchar a la sombra » (ὡς ἐπεάν ὁι βάρβαροι ἀπιέωσι τὰ τοξεύματα τὸν ἥλιον ὑπό τοῦ πλήθεος τῶν οῒστών ἀποκρύπτουσι, εἰ ἀποκρυπτόντων τὣν Μήδων τὸν ἥλιον ὑπό σκιή ἔσοιτο πρὸς αυτούς ἡ μάχη καὶ οὐκ ἐν ἡλίω).

[57]​[58]​ Estos contingentes lanzaron un ataque frontal contra la posición griega,[57]​ que se había situado delante de la muralla focidia, en la parte más estrecha del paso.

[74]​ Los persas quedaron sorprendidos al verles correr rápidamente para armarse, pues no esperaban encontrarse con ningún ejército en ese lugar.

[74]​ Los focidios se retiraron a una colina próxima para preparar su defensa asumiendo que los persas habían venido a atacarles,[74]​ pero los persas, que no querían retrasarse, les acosaron con flechas mientras continuaban su camino, buscando su principal objetivo de rodear al ejército aliado.

[74]​ Cuando un mensajero comunicó a Leónidas que los focidios no habían podido defender el paso, convocó un consejo de guerra al amanecer.

[79]​ Al amanecer Jerjes realizó una libación religiosa, esperó para dar a los Inmortales tiempo suficiente para finalizar el descenso por la montaña, y luego comenzó su avance.

Derribado parte del muro, Jerjes ordenó rodear la colina y los persas hicieron llover flechas sobre los defensores hasta que todos los griegos estuvieron muertos.

El viejo camino se encuentra al pie de las colinas que rodean la llanura, flanqueada por una carretera moderna.

Con las Termópilas abiertas al paso del ejército persa, resultó ya innecesario continuar el bloqueo de Artemisio.

[81]​ Tras atravesar las Termópilas, el ejército persa prosiguió su avance, saqueando e incendiando Platea y Tespias, ciudades de Beocia que no se habían sometido a los persas, para luego marchar sobre la ciudad de Atenas, que ya había sido evacuada por aquel entonces.

[100]​ Sin embargo, en lugar de un mero bloqueo, Temístocles persuadió a los aliados para que buscaran una victoria decisiva contra la flota persa.

Y ofrecieron propuestas de negociación, utilizando al macedonio Alejandro I como «rehén diplomático», quien algunas fuentes coinciden en que informó a los griegos del momento justo para atacar en Platea.

[109]​ Así pues, por el impulso moral que le dio a los legitimistas griegos, fue una derrota, aunque resulte difícil de entender, hasta cierto punto "necesaria".

[124]​ A la Europa del Renacimiento acabó llegando una visión negativa sobre Heródoto, si bien su obra continuó leyéndose de forma habitual.

Además, una vertiente más seria ha sido su uso didáctico: La batalla aparece en muchos libros y artículos sobre temas militares.

También los nazis llamaron «escuadrilla Leónidas» a los pilotos suicidas que se lanzaban contra los puentes para detener el avance soviético en 1945.