После битвы Леонид сидел у костра и дротиком рисовал на песке план местности. Еще до начала сражения он несколько дней подряд поднимался в горы и сверху внимательно изучал расположение персидского лагеря, запоминая, где находится царский шатер. Сопоставив свои наблюдения с донесениями лазутчиков, Леонид пришел к выводу, что можно попытаться убить Ксеркса. Придет на помощь спартанская армия или нет, ведали одни олимпийские боги, но если покончить с персидским царем, то вражеское нашествие на Элладу захлебнется у Фермопил. Взвесив все «за» и «против», Леонид решил сделать вылазку во вражеский лагерь.
Это было опаснейшее предприятие, и участвовать в нем должны были только лучшие бойцы-спартанцы. Несмотря на то, что они половину дня провели в сражении, царь был уверен в своих людях. Он исходил из того, что после сегодняшнего поражения в лагере персов царит разброд и шатание, вражеские командиры заняты совсем другими проблемами и вряд ли дозорные будут должным образом выполнять свои обязанности. Поэтому шанс на успех есть. Собрав вокруг себя спартанских командиров, Леонид подробно объяснил им план действий, разъяснив, что и как делать в том случае, если ситуация будет складывается не в их пользу. После чего объявил, что лично возглавит отряд, идущий на вылазку.
Под покровом ночи спартанцы выскользнули за стену, прикрыли щиты плащами и двинулись к Анфелам. Высланные вперед разведчики докладывали о том, что противника впереди нет, и что выход из прохода никем не охраняется. Спартанцы выскользнули из ущелья и начали пробираться к персидскому лагерю. Вражеских часовых быстро сняли, и гоплиты, пользуясь темнотой, никем не замеченные, вплотную подошли к вражескому стану. Леонид определил направление и повел воинов к шатру Ксеркса.
Оказавшись в лагере, спартанский царь распорядился зажечь принесенные с собой факелы и поджигать шатры персидского воинства, а всех встречных убивать. Паника вспыхнула вместе с пожаром. Заспанные персы, ничего не понимая, выбегали из своих палаток и падали под ударами спартанцев. Гоплиты глубокой колонной прорывались к шатру Ксеркса, в буквальном смысле слова втаптывая в землю всех, кто становился у них на пути. Персидский царь, разбуженный громким шумом, выскочил из шатра и замер пораженный. Огромные языки пламени устремлялись в черное небо, освещая жуткую картину. Тысячи полуодетых людей с оружием в руках метались среди горящих шатров и палаток, военачальники сорвали глотки, пытаясь превратить это обезумевшее стадо в некое подобие войска. Где-то лязгало железо, слышались громкие крики, но что и где происходит, было совершенно непонятно. Внезапно Ксеркс увидел, как сквозь охваченную паникой толпу прямо на него идет отряд воинов с большими щитами. Отблески пламени играли на их доспехах и бронзовых шлемах с высокими гребнями, длинные копья сеяли смерть среди персов. Ксеркс сразу понял, кто это и зачем они пришли. Забыв про все свое величие, повелитель Востока со всех ног бросился прочь.
Спартанцы ворвались в царский шатер и перебили почти всех, кто там находился, оставив в живых только несколько человек. От них и узнали, что среди убитых Ксеркса нет. Понимая, что план не удался, Леонид велел уходить из вражеского лагеря. Разбившись на три отряда, спартанцы ударили с разных направлений, посеяв еще большую панику среди персов. Их никто не преследовал, и Леонид спокойно провел свой отряд через Западные ворота Фермопил. Спартанский царь оглянулся назад и увидел пылающий в ночи лагерь персов. Греки перешли Асоп, миновали Анфелы и ушли за фокейскую стену.
Ксеркс неистовствовал. Военачальники испуганно вжимали головы в плечи, слушая гневные речи своего царя, а Мардоний и Гидарн просто смотрели под ноги, опасаясь поднять глаза на разгневанного властелина. То, что сейчас говорил царь, было правдой, только никто не хотел брать на себя ответственность за ночное побоище. Виноваты были все. Наконец Ксеркс выговорился и еще раз напомнил собравшимся, что завтра у них последний день, чтобы выбить греков из Фермопил. Если этого не произойдет, то полетят головы. После чего отправился спать в шатер Мардония, оставив родственника наводить порядок в войсках.