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。