正当薛西斯无计可施的时候，一个名叫埃彼阿提斯的当地农民来报告说，有条小路可以通到关口的背后。薛西斯一听，大喜过望，立即命令这个希腊叛徒带领御林军沿着荆棘从生的小道直插后山。他们穿峡谷，渡溪流，攀山崖。黎明的时候，越过一片橡树林，接近了山顶。本来，列奥尼达在小路旁的山岭上早已布置下1000余名来自佛西斯城邦的守兵。因数日无战事，他们便放松了警惕，直到寂静的黑暗中传来嘈杂的脚步声时，他们才慌忙披挂上阵。波斯人已到跟前，羽箭像雨点般射来，佛西斯人败走了。波斯人也不追赶，直向温泉关背后插了下去。

斯巴达王列奥尼达得知波斯军迂回到背后时，知道大势已去。为保存实力，他把已无斗志的其他城邦的军队调到后方去，只留下他带来的300士兵迎战。因为按照斯巴达传统，士兵永远不能放弃自己的阵地。700名塞斯比亚城邦的战士自愿留下同斯巴达人并肩作战。

前后夹攻的波斯人潮水般扑向关口，腹背受敌的斯巴达人奋勇迎战。他们用长矛猛刺，长矛折断了，又拔出佩剑劈砍，佩剑断了，波斯人拥了上来。斯巴达的勇士们杀退了敌人的四次进攻，拼死保护自己的统帅。他们的人数越来越少，逐渐被压缩到一个小山丘上。杀红了眼的波斯人，将残余的斯巴达人死死围住，在口令声中将雨点般的标枪投向他们，直到最后一个人倒下。至此，温泉关才最终被攻占了。

付出两万波斯士兵生命的温泉关血战，对于薛西斯来说，就象是一场恶梦。一想到血战到底，宁死不屈的斯巴达勇士，他就心惊肉跳地问：“斯巴达人是不是都是这样的？”

据说，波斯人在打扫战场时只找到了298具斯巴达人的尸体。原来，有两个斯巴达人没有参加战斗。一个是因为害眼病，一个是因为奉命外出。战后，他俩回到斯巴达时，家乡的人都非常鄙视他们，谁也不理他们。其中一个人受不了这种屈辱，自杀了。另一个在后来的战斗中牺牲，但斯巴达人还是拒绝把他安葬在光荣战死者的墓地中。

大约在温泉关希腊守军死战的同时，双方海军在阿尔铁米西昂附近的水面上发生激战，互有损伤。不久希腊海军获悉温泉关失夺，遂退出战场，南撤可提卡附近的萨拉米海湾。中希腊的陆海门户都被打开了，希腊联军首战受挫，雅典岌岌可危。