Геродот сообщает, что в битве участвовало не только 300 спартанских гоплитов, но также илоты (государственные крепостные в Спарте) , которых спартанцы использовали как легковооруженных воинов и слуг, но с которыми не делились славой. По словам Геродота в битве при Платеях на каждого спартанского гоплита приходилось по 7 илотов; соотношение в Фермопильском сражении неизвестно, но, видимо, было примерно таким же, судя по количеству погибших греков.
Не рассчитывая на победу, но лишь на славную смерть, оставшиеся греки приняли бой в отдалении от прежнего места, там, где проход расширяется. Даже там персы не могли развернуться и погибали массами в давке или будучи сброшенными с обрывистого берега. У спартанцев копья были сломаны, они разили врагов короткими спартанскими мечами в тесной рукопашной. В бою пал Леонид, у персов погибли Аброком и Гиперанф, братья царя Ксеркса. Заметив приближение с тыла персидского отряда, ведомого Эфиальтом, греки отступили к стене, а затем, миновав её, заняли позицию на холме у выхода из прохода. По словам Геродота, во время отступления фиванцы отделились и сдались в плен, таким образом они спасли свои жизни ценой клеймения в рабство.
Спартанцы и феспийцы приняли последний бой. Персы расстреливали последних героев из луков, забрасывали их камнями. По сведениям Геродота отличились доблестью спартанцы Диенек, братья Алфей и Марон, феспиец Дифирамб.
Из 300 спартанцев в живых остался лишь Аристодем, который больным был оставлен Леонидом в селении Альпены. По возвращении в Спарту Аристодема ожидало бесчестие и позор. Никто не разговаривал с ним, ему дали прозвание Аристодем-Трус. По слухам в живых остался еще один спартанец по имени Пантит, отправленный гонцом в Фессалию. По возвращении в Лакедемон (область, где находилась Спарта) его также ожидало бесчестие, и он повесился.
Диодор передаёт последний бой 300 спартанцев в легендарном виде. Они будто бы напали на персидский лагерь ещё затемно и перебили множество персов, стараясь в общей суматохе поразить самого Ксеркса. Только когда рассвело, персы заметили немногочисленность отряда Леонида и забросали его копьями и стрелами с расстояния
В следующем 479 до н. э. персидское войско было полностью разгромлено в битве при Платеях в Беотии. В той битве среди спартанцев отличился Аристодем, единственный уцелевший из 300 воинов царя Леонида. Он бился, как исступленный, выйдя из рядов, и совершил великие подвиги лишь потому, как полагали сами спартанцы, что искал смерти из-за своей вины.
За голову предателя Эфиальта, сына Евридема, Спарта объявила награду. Затем он был убит соплеменником в ссоре. Останки царя Леонида были перезахоронены в Спарте спустя 40 лет после его гибели. Жители города через 600 лет после сражения, уже в римское время, ежегодно проводили состязания в честь национального героя ]. Имена всех павших в Фермопилах были высечены на плите.
* После греко-персидских войн, в 3-й Мессенской войне (середина V в. до н. э.) , отборный отряд из 300 спартанцев был также полностью уничтожен. Но только гибель отряда под начальством царя Леонида в сентябре 480 до н. э. стала легендой.