Утром Леонид, уже зная, что это будет последний день битвы, по словам Плутарха, «приказал своим воинам завтракать, объявив, что обедать они будут уже в царстве Аида». В бледном утреннем свете спартанцы в Фермопилах успели подготовиться к бою, приведя себя в порядок и украсив шлемы свежими венками из листьев.
Ксеркс отдал приказ армии вновь идти в наступление. Персы пошли навстречу грекам, которые два предыдущих дня занимали самую узкую часть прохода у фокийской стены. Но в этот день Леонид изменил свою тактику и переместил своих воинов в более широкую часть прохода так, чтобы все они могли сразу же принять участие в битве. У спартанцев было достаточно стойкости и выучки, чтобы обойтись без начального преимущества, которое большинство греческих армий искало в стремительном первом ударе фаланге гоплитов под горячим средиземноморским солнцем.
Когда же персы начали массированную стрельбу, Леонид, вероятно, был вынужден отказаться от спартанской тактики и приказал, чтобы его воины атаковали персов, после чего разгорелся яростный бой. Ведущий в бой своих воинов царь фактически не мог уже управлять ходом битвы, его единственной задачей в это трагическое утро было личным примером вдохнуть новые в свой маленький отряд, добившись максимально возможной отдачи. Греки сражались с отчаянием приговоренных. Но когда сам Леонид пал под ударами персов, он не только на некоторое время оставил греков без командира, но и поставил спартанцев перед дилеммой: они просто не могли себе представить, как можно оставить тело своего царя лежать в пыли на поле боя. Таким образом, отбросив даже саму мысль об отступлении, греки с ещё большей яростью бросились на персов, чтобы отбить тело своего царя. Четыре раза спартанцы ходили в атаку, после чего, окончательно выдохшиеся, они собрались на своих исходных позициях.
Наконец, оставшиеся греки, услышав шум приближающихся «бессмертных», отошли назад в узкую часть прохода, за фокийскую стену и заняли позицию на холме Колон. Здесь греки приняли свой последний бой, за исключением фиванцев, которые оставили строй и, бросая свое оружие, пошли сдаваться врагу. Некоторые из них пали под ударами разгоряченных битвой персов, но большинству всё же удалось благополучно сдаться в плен. Все они были заклеймены печать Великого царя.
Заключительный акт этой драмы вскоре завершился. Нападавшие преодолели фокийскую стену и хлынули в Фермопильский проход, в то время как в тылу греков, наконец, появились «бессмертные» Гидарна. Оставшихся спартанцев персы, не желавшие новых потерь, забросали стрелами и дротиками.