薛西斯又耐心地等了四天，見守關的希臘人絲毫沒有投降的樣子，便下了命令，用武力活捉這些不知好歹的希臘人。但是在大戰之前，薛西斯仍舊不願放棄，最後一次派使者前去告訴列奧尼達，如果他和他的軍隊願意投降，波斯王可以讓他成為全希臘之王。列奧尼達回複道：“如果你知道這個生命中什麼最寶貴，你就不會成天垂涎覬覦別人擁有的東西；對我來說，為希臘光榮地去死比成為我的民族的頭頭更為重要！”薛西斯惱羞成怒，最後通牒讓斯巴達人立即投降，列奧尼達輕蔑地回答道：“想要？那就來拿！（Comeandgetthem）”
大血戰第一天
根據溫泉關地勢險要、山道狹窄，部隊不能展開行動，騎兵和車派不上用場的特點，薛西斯采取了派重裝步兵輪番衝擊的強攻戰法，企圖利用人數的優勢打垮斯巴達人。在大戰的第一天，薛西斯派出仆從國米底亞人和色雷斯人的軍隊，以及十年前在馬拉鬆戰役中喪失親人的戰士組成第一波攻擊陣形，將之前獲得的希臘俘虜放在最前方當炮灰，希望以人數優勢迅速擊潰溫泉關守軍。
而希臘人卻利用溫泉關“一夫當關，萬夫莫開”的地形優勢，居高臨下，用鋒利的長矛凶狠地刺向手持波斯刀的敵人。希臘人使用的防守陣形是著名的“希臘長槍方陣”，一堵由寬大盾牌組成的盾牆和層疊其間的長矛。色雷斯人和米底亞人的小盾和短矛沒有辦法和希臘人匹敵，成批的士兵在斯巴達人的盾前倒下。
見此情景，薛西斯急得三次從他督戰的寶座上站起來，皺著眉頭，抖動著胡子，狂躁地吼叫不已。根據一位當時的古代希臘曆史學家Ctesias的說法，波斯人的第一波攻擊被完全地粉碎，而希臘人隻損失了2~3個斯巴達戰士。
根據希羅多德的記載，薛西斯在第一波攻擊遭到瓦解之後充分認識到他麵對的是一支多麼可怕的軍隊。於是在同一天，他派出了由10000名他最為精銳的禦林軍“不朽者（Immortal）”組成的第二波攻擊部隊。但是根據Ctesias的另一種說法，薛西斯在第二波攻擊中使用的是20000名戰士，其中10000名是“不朽者”，另外10000名是靠軍官鞭笞前進的米底亞戰士。但是同樣第二波攻擊也遭到了失敗。
大血戰第二天
依據Ctesias的記載，在第二天薛西斯派出了總共50000人對希臘守軍進行猛攻，但是照樣沒有奏效。因此薛西斯十分困惑，決定暫時停止攻擊，命令軍隊撤回駐營地。
大血戰第三天
正當薛西斯無計可施的時候，一個名叫埃彼阿提斯的當地農民來報告說，有條小路可以通到關口的背後。薛西斯一聽，大喜過望，立即命令這個希臘叛徒帶領禦林軍“不朽者”沿著荊棘叢生的小道直插後山。他們穿峽穀，渡溪流，攀山崖。黎明的時候，越過一片橡樹林，接近了山頂。本來，列奧尼達在小路旁的山嶺上早已布置下1000名來自佛西斯城邦的守兵。因數日無戰事，他們便放鬆了警惕，直到寂靜的黑暗中傳來嘈雜的腳步聲時，他們才慌忙上陣。
波斯的將軍麵對這些匆忙披掛上陣的希臘軍隊感到目瞪口呆，因為這與前兩天他們曾經麵對的可怕殺人機器大相徑庭。但是波斯將軍一度還是不敢下令自己的軍隊立即進攻，但是叛徒埃彼阿提斯提醒他這些人不是可怕的斯巴達戰士，所以波斯人立即用密集箭雨襲向這些希臘人。佛西斯人一直敗走到山頂。但波斯人也不追趕，直向溫泉關背後插了下去，至此完成了對希臘主力守軍的合圍。
斯巴達國王列奧尼達得知佛西斯人被擊潰，波斯軍迂回到背後時，知道大勢已去，但還是召開了最後一次戰時會議。為保存實力，他把已無鬥誌的其他城邦的軍隊調到後方去，隻留下他帶來的斯巴達皇家衛隊士兵迎戰。因為按照斯巴達傳統，士兵永遠不能放棄自己的陣地。700名由將軍迪莫費魯斯率領的賽斯比城邦戰士自願留下同斯巴達人並肩作戰。