Jabarkan Pertempuran dari Pertempuran Marathon

Jarak di antara kedua pasukan menjelang pertempuran telah menyempit hingga pada "suatu jarak yang tak kurang dari 8 stadia" atau kira-kira 1.500 meter. Miltiades memerintahkan dua suku yang sedang membentuk bagian tengah formasi pasukan Athena, yaitu suku Leontis yang dipimpin oleh Themistokles dan suku Antiokhis yang dipimpin oleh Aristides, untuk disusun dalam kedalaman 4 barisan sementara suku-suku lainnya yang ada di bagian sayap pasukan dengan kedalaman 8 barisan. Beberapa sejarawan modern menduga bahwa ini adalah cara yang hati-hati untuk mendorong pengepungan ganda pada bagian tengah pasukan Persia. Akan tetapi, hal ini mengasumsikan suatu tingkat pelatihan yang tidak dimiliki oleh pasukan Athena. Ada sedikit bukti untuk pemikiran taktis semacam itu dalam pertempuran-pertempuran Yunani hingga Pertempuran Leuktra pada tahun 371 SM. Dengan demikian ada kemungkinan bahwa keputusan ini diambil, kemungkinan pada saat-saat terakhir, sehingga barisan pasukan Athena sama panjangnya dengan pasukan Persia, dengan tujuan mencegah pasukan Persia mengepung pasukan Athena..

Ketika barisan Athena sudah siap, menurut satu sumber, tanda sederhana untuk maju diberikan oleh Miltiades: "Kepada mereka." Herodotos menyiratkan pasukan Athena berlari tanpa henti menuju barisan Persia sambil meneriakkan seruan perang yang melolong, Ελελευ! Ελελευ! ("Eleleu! Eleleu!"). Akan tetapi, diragukan bahwa pasukan Athena berlari terus-menerus ke arah pasukan Persia; dalam kondisi berzirah lengkap hal ini akan sangat sulit. Yang lebih mungkin adalah bahwa pasukan Athena berjalan hingga mencapai batas jangkauan efektif pasukan pemanah Persia, "zona serang" (kira-kira 200 meter), dan kemudian berlari ke arah musuh. Kemungkinan lainnya adalah bahwa pasukan Atheba berlari dalam barisan yang terpecah-pecah hingga 200 meter, lalu menyusun barisan dan bersatu untuk kembali untuk kemudian berarak menuju pasukan Persia. Herodotos menduga bahwa ini adalah pertama kalinya pasukan Yunani berlari ke arah musuh dalam pertempuran dengan cara seperti ini; ini kemungkinan karena inilah pertama kalinya pasukan Yunani menghadapi musuh yang terdiri terutama atas pasukan misil. Semua ini jelas sangat mengejutkan pasukan Persia, "...dalam pikiran mereka [pasukan Persia], mereka menganggap bahwa pasukan Athena pastilah dihinggapi kegilaan yang fatal, mengingat jumlah pasukan Athena sedikit namun malah mendesak maju dengan berlari, dan bahkan tidak memiliki kavaleri atau pemanah." Pemikiran pasukan Persia itu dapat dimaklumi berdasarkan pengalaman mereka selama ini atas orang Yunani; Herodotos menuturkan bahwa pasukan Athena di Marathon adalah "orang [Yunani] pertama yang bertahan cukup lama melihat pakaian orang Mede dan orang yang memakainya, karena pada saat itu mendengar nama orang Mede saja sudah membuat orang Yunani panik.". Setelah menerobos hujan anak panah yang diluncurkan oleh pasukan Persia, dengan sebagian besar tubuh mereka terlindungi oleh baju zirah, barisan Yunani pada akhirnya berbenturan dengan pasukan musuh. Holland memberikan uraian sebagai berikut:

Kedua sayap pasukan Athena dengan cepat menggulung bagian sayap pasukan Persia yang lebih lemah, sebelum kemudian berbalik ke arah dalam untuk mengurung barisan tengah pasukan Persia, yang lebih berhasil melawan barisan tipis bagian tengah pasukan Yunani. Pertempuran berakhir ketika bagian tengah pasukan Persia pecah dan para tentara Persia berhamburan berlari dalam kepanikan menuju kapal-kapal mereka, sambil dikejar oleh pasukan Yunani. Beberapa tentara Persia, yang tidak mengenal kondisi alam setempat, berlari ke arah rawa-rawa dan akhirnya tenggelam, jumlah mereka tak diketahui. Pasukan Athena mengejar para tentara Persia yang berusaha kembali ke kapal, dan berhasil merebut tujuh kapal, meskipun sebagian besar kapal berhasil berlayar dan melarikan diri. Herodotos menuturkan kisah bahwa Kynaigiros, saudara penulis drama Aiskhylos, yang juga ikut bertempur, berlari ke arah lautan, memegang kuat-kuat satu trireme persia, dan mulai menariknya ke arah daratan. Seorang kru kapal melihatnya, memotong tangannya, dan Kynegiros pun tewas.

Herodotos melaporkan bahwa 6.400 mayat tentara Persia ditemukan di medan pertempuran, dan tidak diketahui berapa orang yang tewas di rawa-rawa.. Pasukan Athena kehilangan 192 orang sedangkan pasukan Plataia kehilangan 11 orang. Di antara korban tewas terdapat arkhon Kallimakhos dan jenderal Stesilaos.