为确保胜利，薛西斯动员了一支大军。当时的史学家希罗多德认为，波斯出动军队180万，后勤人员500万。这个数字显然过于夸张，后世经考证，认为波斯总兵力约为20万，包括国王的近卫军“不死军”1万，骑兵1万，轻步兵18万，另有超过20万的非战斗人员。
波斯人并非海洋民族，所以海军由被征服者提供。腓尼基人、埃及人以及爱奥尼亚和爱琴海的希腊人，各提供了300艘左右的战船。
公元前481年冬天，希腊所有城邦都收到了波斯索要“土地和水”的通告。一些城邦畏惧投降，没有投降的城邦则决定组织联军，在希腊中部天险温泉关，以及温泉关以东的亚德米西林海面迎敌。
联军陆军共1万人，全部是重步兵。其中斯巴达出兵300，斯巴达领导的伯罗奔尼撒同盟出兵3400，其他国家几百到几千不等。各国出兵人数都不多，因为他们对战胜波斯没有绝对自信，需要分兵留守城市和国境。特别是斯巴达，作为伯罗奔尼撒半岛盟主，要留下主要兵力保卫同盟国。
联军海军共375艘加莱战船，其中雅典200艘，科林斯40艘，其他国家几艘到十几艘不等。每艘战船成员至少200人，也就是说雅典4万公民，几乎全部加入了舰队。统帅方面，联军陆军由年过六旬的斯巴达国王列奥尼达斯指挥，海军名义上由一位斯巴达将领负责，实际上由雅典的地米斯托克利指挥。希腊的战术构想，是在温泉关一线形成海陆联防。只要能坚守超过两个月，波斯远征军应该就会被40万人的后勤补给压力拖垮，然后自行撤退。
公元前480年8月，希腊联军抵达温泉关及附近海域，随后波斯20万大军也陆续到达。
温泉关靠近大海，是一条狭窄曲折，超过10公里长的山间关隘，易守难攻。面对20倍于己的敌人，希腊陆军显得不慌不忙，斯巴达人更是在营地从容不迫地梳理长发。
薛西斯决定以优势兵力强行进攻。开战前，他派使者劝降，而斯巴达王列奥尼达只回了一句话:“想取我的脑袋，请便。”
波斯军随后发动强攻，但一天之内就损失2万人，尸体在温泉关前堆成小山。希腊方面几乎没有损失。当天的海战，也以希腊方占上风告终。
薛西斯怒不可遏，第二天，投入禁卫军不死军参战，并由国王的两个弟弟亲自指挥。结果波斯再次战败，两位王弟阵亡。不过希腊联军也损失了2000人。
这天夜里，列奥尼达收到报告，说波斯发现了绕过温泉关的小路，先锋已经出发，即将对温泉关守军实现前后合围。列奥尼达马上召集各国指挥官，说明情况，并允许大家自行决定是否撤退。最后大多数人选择撤离，决定留下的只有300名斯巴达人，500名赛斯比亚人和400名底比斯人。
在第二天的战斗中，底比斯人顶不住压力，率先投降。剩下的800人被数万波斯军四面包围，顶着箭雨持续战斗，直到全部阵亡。
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