Pertempuran Marathon
memiliki jumlah kavaleri yang cukup banyak, maka ini membuat setiap manuver ofensif pasukan Athena menjadi lebih berbahaya dan berisiko, dan dengan demikian pasukan Athena memutuskan untuk menggunakan strategi bertahan.
Di pihak lain, strategi Persia mungkin secara prinsip ditetapkan oleh pertimbangan-pertimbangan taktis. Infanteri Persia jelas berzirah ringan, dan bukan tandingan bagi hoplites Athena dalam konfrontasi langsung jarak dekat (seperti yang kelak ditunjukkan pada pertempuran-pertempuran selanjutnya di Thermopylae dan Plataia). Karena pasukan Athena tampaknya telah mengambil posisi bertahan yang kuat di Marathon, pasukan Persia mungkin enggan untuk menyerang pasukan Athena secara langsung.
Apapun kejadian yang pada akhirnya memicu pertempuran, jelas bahwa hal ini cukup mengubah keseimbangan strategis atau taktis yang mendorong pasukan Athena untuk menyerang pasukan Persia. Jika teori yang pertama benar (lihat di atas), maka ketidakhadiran kavaleri menghilangkan kerugian taktis utama pasukan Athena, dan ancaman akan dikepung membuat mereka harus menyerang. Sebaliknya,
jika teori kedua yang benar, maka pasukan Athena hanya bereaksi terhadap pasukan Persia yang menyerang mereka. Karena pasukan Persia jelas memiliki proposi pasukan misil yang besar, posisi bertahan yang statis tidak banyak memberi keuntungan bagi pasukan Athena.; keunggulan hoplites terletak pada pertarungan jarak dekat, dan dari sudut pandang pasukan Athena, semakin cepat bentrokan itu terjadi
maka semakin baik. Jika teori yang kedua benar, hal ini menimbulkan pertanyaan lebih lanjut mengenai mengapa pasukan Persia, setelah ragu-ragu selama beberapa hari, memutuskan untuk menyerang. Kemungkinan ada beberapa alasan strategis untuk hal ini; mungkin mereka sadar (atau curiga) bahwa pasukan Athena sedang mengharapkan bala bantuan. Kemungkinan lainnya, karena mereka
barangkali merasakan perlunya memaksakan semacam kemenangan-mereka hampir tidak dapat bertahan saja di Marathon hingga waktu yang tak tentu.
Jarak di antara kedua pasukan menjelang pertempuran telah menyempit hingga pada "suatu jarak yang tak kurang dari 8 stadia" atau kira-kira 1500 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, "! !" ("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 6400 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.
Tidak lama seusai pertempuran itu, Herodotos menuturkan bahwa armada Persia berlayar di sekitar Tanjung Sounion untuk menyerang Athena secara langsung. Seperti telah dibahas di atas, beberapa sejarawan modern berpendapat bahwa usaha itu dilakukan oleh armada Persia sebelum pertempuran. Pasukan Athena jelas sadar bahwa kotanya masih dalam bahaya, dan bergerak secepat mungkin untuk kembali
ke Athena. Dua suku yang ada di bagian barisan tengah pasukan Athena tinggal di Marathon untuk menjaga medan tempur di bawah komando Aristides. Pasukan Athena tiba tepat waktu untuk mencegah armada Persia berlabuh di Athena. Menyadari bahwa kesempatan telah hilang, armada Persia berbalik arah dan kembali ke Asia. Terkait dengan kisah ini, Herodotos menuturkan suatu
rumor bahwa manuver armada Persia ini telah direncanakan bersama keluarga Alkmaionid, keluarga bangsawan terkemuka di Athena, dan bahwa suatu "tanda perisai" diberikan seusai pertempuran. Meskipun telah dikemukakan banyak penafsiran tentang hal ini, tidak mungkin untuk memastikan kebenarannya, dan jika benar demikian, juga sulit diketahui apa arti
persisnya tanda tersebut. Keesokan harinya, pasukan Sparta tiba di Marathon setelah menempuh jarak sejauh hanya dalam waktu tiga hari. Pasukan Sparta menjelajahi medan tempur, dan meyakini bahwa pasukan Athena telah memperoleh kemenangan besar. Para pria yang bertempur di Marathon kemudian dikenal sebagai "Marathonomakhoi" dan amat dihormati di Athena. Bauer menuliskan bahwa