Leonidas I
Trận Thermopylae

Bài chi tiết: Trận Thermopylae
Khi nhận được lời kêu gọi giúp đỡ từ liên minh Hy Lạp, muốn thành phố hợp lực chống quân Ba Tư xâm lược, Sparta đã tham khảo ý kiến của Oracle tại Delphi.  Người ta nói rằng Oracle đã đọc lên lời tiên tri dưới dạng bài thơ sáu âm tiết như sau:
Hỡi các người, cư dân thành Sparta,

Thành phố vinh quang và tráng lệ này sẽ bị người Ba Tư hủy diệt,

Hoặc nếu không, thì cư dân thành Lacedaemon phải khóc thương một nhà vua vĩ đại, của dòng dõi Heracles.

Sức mạnh của bò mộng hay sư tử cũng không cản bước được số mệnh; bởi số mệnh có quyền năng như thần Zeus.

Ta tuyên bố rằng số mệnh sẽ không bị ngăn trở, cho đến khi biến một trong hai thành sự thật.
Vào tháng tám năm 480 TCN, Leonidas hành quân rời Sparta để đón đầu đội quân của Xerxes tại Thermopylae với một đội quân nhỏ gồm 1,200 người (900 helot và 300 lính hoplite Sparta), tại đây các lực lượng của các thành bang Hy Lạp khác hợp quân với ông, và sau cùng ông đã chỉ huy một đội quân gồm 7,000 người.  Có nhiều giả thuyết về việc tại sao Leonidas lại chỉ dẫn theo một đội hoplite nhỏ đến vậy.  Theo lời Herodotus, "người Sparta muốn nhóm quân này cùng Leonidas đi trước, để những đồng minh thấy được họ và vững tâm hành quân mà không sợ thất bại, chứ không chạy sang phe Ba Tư như những kẻ khác nếu họ biết người Sparta đang trì hoãn. Sau khi tổ chức lễ hội ăn mừng, hội Carneia, họ rời trại ở Sparta và toàn lực tiến về Thermopylae. Những nhánh quân còn lại trong liên minh Hy Lạp cũng làm vậy, vì quãng thời gian Olympiad trùng với các sự kiện này. Do vậy họ chỉ gửi cánh quân tiên phong đi, mà không hề ngờ rằng chiến trận ở Thermopylae lại kết thúc nhanh đến vậy." Nhiều nhà bình luận sử học hiện đại không đồng ý với lời giải thích này, họ chỉ ra rằng Thế vận hội Olympic đã diễn ra rồi, hoặc họ bị trì hoãn do bất đồng nội bộ hoặc một âm mưu nào đó.
Dù lý do thành Sparta chỉ đóng góp 300 lính Sparta là gì (cùng với người hầu và cả quân trợ chiến perioikoi), thì tổng cộng toàn bộ các lực lượng đến bảo vệ Thermopylae lên đến từ bốn đến bảy nghìn người Hy Lạp. Họ đối mặt với đội quân Ba Tư xâm lược từ miền Bắc Hy Lạp theo lệnh Xerxes I. Herodotus tuyên bố rằng đội quân này gồm hơn hai triệu lính; các học giả hiện đại cho rằng ông đã phóng đại, và ước tính con số thật vào khoảng 70,000 đến 300,000.
Xerxes đợi bốn ngày trước khi tấn công, hy vọng đội quân Hy Lạp sẽ sợ hãi mà giải tán. Cuối cùng, vào ngày thứ năm, người Ba Tư tấn công. Leonidas chặn đứng đội quân Ba Tư tấn công trực diện trong ngày thứ năm và thứ sáu, giết được tầm 10,000 quân địch. Lực lượng tinh nhuệ của Ba Tư mang tên "Binh đoàn Bất tử" bị đẩy lùi, và hai người anh em của Xerxes (Abrocomes và Hyperanthes) đều tử trận. Vào ngày thứ bảy (ngày 11 tháng 8), một kẻ phản bội người Hy Lạp Malieis tên là Ephialtes đã dẫn một ông tướng Ba Tư là Hydarnes theo một con đường núi để đánh vào phía sau lưng quân Hy Lạp. Vào thời điểm đó, Leonidas đã cho phần lớn lực lượng Hy Lạp quay về, và ở lại chắn con đường với 300 lính Sparta của ông, 900 lính nô lệ helot, 400 người Thebes và 700 người Thespiae. Người Thespiae ở lại hoàn toàn là do tự nguyện, họ tuyên bố rằng sẽ không bỏ rơi Leonidas và người của ông. Thủ lĩnh của họ là Demophilus, con trai của Diadromes, và như Herodotus viết, "Từ lúc đó họ cùng sống và cùng chết với những người Sparta."
Một giả thuyết do Herodotus đề xuất là Leonidas cho phần lớn đội quân quay về để bảo đảm cho họ được an toàn. Nhà Vua cho rằng ông nên giữ lại một phần lực lượng Hy Lạp cho những cuộc chiến tiếp theo với người Ba Tư, nhưng ông cũng biết rằng quân Sparta không thể cứ thế mà bỏ lại tiền đồn này của họ. Cần phải có quân lính ở lại để bảo vệ cho những người đang rút lui trước kỵ binh Ba Tư. Bản thân Herodotus tin rằng Leonidas biết quân sĩ đã không còn nhuệ khí, và sẽ không thể đối mặt với những hiểm nguy mà ông biết là sẽ đến. Do đó ông cho phần lớn đội quân giải tán trừ nhóm người Thebes, Thespiae và nhóm nô lệ helot, rồi tiếp tục chiến đấu để đem vinh quang cho thành Sparta.
Lực lượng Hy Lạp ít quân hơn, thêm việc bị tấn công từ cả hai phía, toàn bộ đều tử trận trừ 400 người Thebes, những kẻ này đã đầu hàng Xerxes mà không chiến đấu. Khi Leonidas tử trận, quân Sparta đánh bật quân Ba Tư bốn lần để giành lại thi thể ông. Herodotus nói rằng Xerxes đã ra lệnh chém đầu Leonidas và đóng đinh thi thể ông. Hành động này được coi là phạm thượng.