Pasukan Yunani sebanyak 7.000 orang berarak ke utara untuk menghalangi celah pada musim panas 480 SM. Pasukan Peria, yang oleh sumber-sumber kuno disebut berjumlah lebih dari jutaan namun kini diduga berjumlah jauh lebih sedikit (beragam angka diusulkan oleh para sejarawan antara 100,000 dan 150,000),[5][6] tiba di celah pada akhir Agustus atau awal September. Pasukan Yunani yang kalah jumlah menahan pasukan Persia selama tujuh hari (termasuk tiga hari pertempuran) sebelum barisan belakangnyanya dihancurleburkan dalam salah satu perjuangan terakhir paling terkenal dalam sejarah. Selama dua hari penuh pertempuran, pasukan kecil yang dipimpin Raja Leonidas I dari Sparta menghalangi satu-satunya jalan yang dapat dilalui oleh pasukan besar Persia. Setelah hari kedua pertempuan, seorang penduduk lokal bernama
Leonidas
Ephialtes mengkhianati pasukan Yunani dengan memberitahu jalan kecil ke balik garis pertahanan Yunani. Leonidas, menyadari bahwa pasukannya akan terkepung, menyuruh sebagian besar tentaranya pergi sedangkan dirinya tetap bertahan bersama 300 tentara Sparta, 700 tentara Thespiai, 400 tentara Thebes dan mungkin beberapa ratus tentara lainnya. Pada akhirnya sebagian besar tentara Yunani terbunuh.
Setelah pertempuran ini, armada Yunani, di bawah komando politisi Athena Themistokles, di Artemision memperoleh kabar kekalahan di Thermopylae. Karena strategi Yunani membutuhkan pertahanan di Thermopylae dan Artemision, sedangkan Thermopylae tak dapat dipertahankan, maka armada Yunai pun memutuskan untuk mundur ke Salamis. Pasukan Persia menyerbu Boiotia lalu menaklukan Athena yang penduduknya sebelumnya telah dievakuasi. Armada Yunani, menginginkan kemenangan atas armada Persia, memutuskan untuk menyerang dan akhirnya berhasil mengalahkan armada Persia dalam Pertempuran Salamis pada akhir 480 SM. Takut terjebak di Eropa, Xerxes pun mundur bersama sebagian besar pasukannya ke Asia (banyak tentaranya yang kemudian tewas akibat kelaparan dan penyakit), meinggalkan Mardonios untuk tetap meneruskan penaklukan atas Yunani. Setahun kemudian, pasukan Yunani secara telak mengalahkan pasukan Persia pada Pertempuran Plataia, dengan demikian mengakhiri invasi Persia.
Pra penulis kuno dan modern menggunakan Pertempuran Thermopylae sebagai contoh kekuatan patriotik dalam mempertahankan tanah air. Keunggulan awal pasukan Yunani pada Pertempuran Thermopylae juga digunakan sebagai contoh keuntungan yang diperoleh melalui latihan, perlengkapan, dan pemanfaatan medan secara baik sebagai pengganda kekuatan dan telah menjadi simbol keberanian melawan sesuatu yang nampak lebih kuat.
