Греки выслали войско – около десяти тысяч гоплитов – чтобы задержать персов на дальних подступах к Пелопоннесу. Сначала союзное войско хотело сдержать Ксеркса на северной границе Фессалии с Македонией, но потом оно отошло на Истмийский перешеек, соединяющий полуостров Пелопоннес с Балканами. Однако в таком случае многие греческие города на материке оказались бы беззащитны, и в итоге войско перешло к Фермопилам, узкому проходу в горах, ведущему из Фессалии в Среднюю Грецию. Одновременно греческий флот в количестве двухсот семидесяти одной триеры стал заслоном для персидской флотилии недалеко от Фермопил, у мыса Артемисий.
Описание Фермопильского прохода есть у Геродота. «Так, у селения Альпены за Фермопилами есть проезжая дорога только для одной повозки… На западе от Фермопил поднимается недоступная, обрывистая и высокая гора, простирающаяся до Эты. На востоке же проход подходит непосредственно к морю и болотам. В ущелье этом построена стена, а в ней некогда были ворота. Древняя стена была построена в стародавние времена и от времени большей частью уже разрушилась. Эллины решили теперь восстановить стену и таким образом преградить варвару путь в Элладу».
Войско греков состояло из постоянных городских отрядов профессиональных тяжеловооруженных воинов-гоплитов, посланных в качестве передового заслона, пока города собирали ополчения. При Фермопилах собралось до шести тысяч гоплитов; спартанский отряд в триста воинов возглавлял царь Леонид, сын Анаксандрида. Он же считался и главнокомандующим всего эллинского войска. Нужно отметить, что эти шесть тысяч тяжеловооруженных воинов отнюдь не составляли все греческое войско. Из разных источников можно узнать, что в войске было до тысячи спартанских периэков (неграждан), а на каждого спартанского гоплита приходилось по семь рабов-илотов, которые использовались в качестве легковооруженных воинов. Можно предположить, что и в отрядах других полисов было немало воинов, не вошедших в приводимое Геродотом число гоплитов. По современным оценкам, количество греческих воинов, собравшихся для обороны Фермопильского прохода, могло достигать двадцати тысяч человек. Персидскую армию современные историки оценивают тысяч в семьдесят. Поэтому ни о каком сто– или тысячекратном превосходстве персов не было и речи.
Греки разбили лагерь за стеной, перекрывающей узкий Фермопильский проход. Стена эта представляла собой невысокую баррикаду, выложенную из тяжелых камней. Персидское войско остановилось у города Трахина перед входом в Фермопилы. Один местный житель, рассказывая эллинам о многочисленности варваров, добавил, что «если варвары выпустят свои стрелы, то от тучи стрел произойдет затмение солнца». В ответ спартанец Диенек беззаботно пошутил: «Наш приятель из Трахина принес прекрасную весть: если мидяне затемнят солнце, то можно будет сражаться в тени» (в некоторых источниках это высказывание приписывается самому царю Леониду).
Ксеркс выжидал четыре дня, а на пятый послал наиболее боеспособные отряды из урожденных мидян и персов на штурм. Согласно данным историка Диодора, царь отправил в первой волне атакующих тех воинов, чьи близкие родственники погибли за десять лет до того в битве при Марафоне.
Греки встретили их в теснине лицом к лицу, в то время как другая часть воинов оставалась на стене. Греки притворно отступали, но затем разворачивались и контратаковали расстроенные отряды персов. Затем Ксеркс сменил мидян на киссийцев и саков, славных своей воинственностью. Воины персидского царя, имея более легкое вооружение и не получив строевой подготовки, подобной греческой, не могли прорвать плотную фалангу противника, укрывшуюся за сплошной стеной больших щитов. Перед наступлением вечера в бой пошла гвардия Ксеркса, воины из отряда «бессмертных». Но и они отступили после короткой схватки.
На второй день Ксеркс послал в бой воинов, известных своей отвагой (в основном карийцев), с обещанием хорошей награды за успех и смерти за бегство с поля боя. Второй день тоже прошел в бесплодных атаках. Персы сменяли атакующие отряды; греки, в свою очередь, сменяли в сражении друг друга.
Ксеркс не знал, что предпринять дальше, когда к нему обратился некий местный житель, Эфиальт, который вызвался за вознаграждение провести персов горной тропой в обход Фермопил. Тропу охранял отряд фокийцев (из Средней Греции) – тысяча воинов. Отборный персидский отряд в двадцать тысяч под командованием Гидарна скрытно шел всю ночь, а к утру неожиданно обрушился на фокийцев. Загнав их на вершину горы, Гидарн продолжил движение в тыл эллинам, охраняющим Фермопилы. Фокийцы послали бегунов сообщить грекам об обходном маневре персов; об этом же греков предупредил еще ночью перебежчик из персидского лагеря по имени Тиррастиад.