Invasi Persia pertama ke Yunani
saat yang sama, pelari tercepat Athena, Pheidippides (atau Philippides) dikirim ke Sparta untuk memohon agar pasukan Sparta dikerahkan ke Marathon untuk membantu Athena. Pheidippides tiba di Sparta ketika orang Sparta sedang merayakan festival "Karneia", suatu periode perdamaian yang sakral. Dia diberitahu bahwa pasukan Sparta tidak boleh bertempur hingga bulan purnama; ini
artinya Athena tidak dapat mengharapkan bantuan Sparta untuk setidaknya sepuluh hari. Dalam keadaan seperti itu, pasukan Athena memutuskan untuk tidak langsung menyerang dan lebih memilih posisi bertahan di Marathon. Kebuntuan berlangsung selama lima hari, sebelum akhirnya pasukan Athena (dengan alasan yang tak sepenuhnya jelas) memutuskan untuk menyerang pasukan Persia.
Meskipun pasukan Persia memiliki jumlah tentara yang lebih banyak, hoplites terbukti secara efektif membawa dampak yang menghancurkan, menggulung sayap pasukan Persia sebelum kemudian mengobrak-abrik bagian tengah barisan Persia; sisa-sisa pasukan Persia meninggalkan medan tempur dan melarikan diri menuju kapal-kapal mereka. Herodotos menutukan bahwa ditemukan 6400 mayat tentara Persia di medan perang seusai pertempuran; sedangkan pasukan Athena hanya kehilangan 192 orang dan Plataia 11 orang.
Tidak lama seusai pertempuran itu, Herodotos menuturkan bahwa armada Persia berlayar di sekitar Tanjung Sounion untuk menyerang Athena secara langsung, meskipun 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. 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. 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.
Kekalahan Persia di Marathon untuk sementara waktu mengakhiri invasi Persia ke Yunani. Akan tetapi, dalam invasi tersebut, Thrakia dan kepulauan Kyklades dikuasai oleh Persia, sedangkan Makedonia dijadikan negara bawahan oleh Persia. Dengan memperoleh banyak tambahan wilayah itu, Darius masih sangat ingin menaklukkan Yunani, dengan tujuan mengamankan bagian barat kekaisarannya. Selain
itu, Athena tetap belum dihukum atas perannya dalam Pemberontakan Ionia, dan baik Athena maupun Sparta masih belum dihukum atas perlakukan buruk mereka kepada utusan Persia.
Darius dengan demikian mulai mengumpulkan pasukan baru dengan jumlah tentara yang sangat banyak yang dia maksdukan untuk sepenuhnya menguasai Yunani. Akan tetapi, pada tahun 486 SM, bangsa taklukannya di Mesir memberontak, sehingga ekspedisi ke Yunani harus tertunda hingga waktu yang tak tentu. Darius meninggal dunia dalam perjalanan ke Mesir, dan takhta Persia
diwariskan kepada putranya Xerxes I. Xerxes menghentikan pemberontakan Mesir, dan dengan sangat cepat memulai kembali persiapan untuk menyerbu Yunani. Ekspedisi ini akhirnya siap pada tahun 480 SM, dan dengan demikian invasi kedua Persia ke Yunani pun dimulai; dalam ekspedisi ini pasukan Persia dipimpin langsung oleh Xerxes. Pasukan Persia meraih
keberhasilan awal pada Pertempuran Thermopylae dan Pertempuran Artemision (Agustus 480 SM). Akan tetapi, kekalahan Persia dalam Pertempuran Salamis pada bulan September 480 SM menjadi titik balik dalam kampanye militer itu, dan setahun kemudian ekspedisi itu berakhir dengan kemenangan telak Yunani dalam Pertempuran Plataia.
Bagi Persia, dua ekspedisi ke Yunani bisa dibilang merupakan suatu keberhasilan; wilayah-wilayah baru ditambahkan ke dalam kekaisaran dan Eretria berhasil dihukum. Hanya ada kegagalan kecil ketika invasi Persia dihentikan melalui kekalahan mereka pada Pertempuran Marathon; kekalahan tersebut tidak terlalu berpengaruh terhadap sumber daya militer Persia yang amat besar.
Namun bagi orang Yunani, peristiwa di Marathon merupakan suatu kemenangan besar. Itu adalah pertama kalinya orang Yunani dapat mengalahkan pasukan Persia, dan menunjukkan bahwa Persia dapat dikalahkan, dan bahwa perlawanan, bukannya ketundukan, adalah mungkin untuk dilakukan. Kemenangan di Marathon adalah momen yang menentukan bagi demokrasi Athena yag masih muda, menunjukkan apa
yang dapat dicapai melalui persatuan dan kepercayaan diri; dan memang, pertempuran itu secara efektif benar-benar menandai dimulainya "zaman kejayaan" bagi Athena. Ini juga berlaku bagi Yunani secara keseluruhan; "kemenangan mereka memberikan keyakinan kepada bangsa Yunani pada takdirnya yang akan berlangsung selama tiga abad, yang pada masa itulah kebudayaan barat lahir".
Pendapat terkenal John Stuart Mill adalah bahwa "Pertempuran Marathon, bahkan sebagai suatu peristiwa dalam sejarah Britania, lebih penting daripada Pertempuran Hastings".
Secara militer, pelajaran utama bagi orang Yunani dari Pertempuran Marathon adalah potensi pasukan hoplites bergaya phalanx. Gaya ini telah berkembang selama perang-perang yang menghancurkan di kalangan bangsa Yunani sendiri; karena tiap negara kota bertempur dengan cara yang sama, keuntungan dan kerugian hoplites bergaya phalanx belum terlihat dengan jelas. Pertempuran Marathon adalah
kesempatan pertama bagi pasukan bergaya phalanx untuk menghadapi pasukan yang bersenjata ringan, dan menunjukkan betapa efektifnya hoplites dalam pertempuran. Formasi phalanx masih rentan dalam menghadapi kavaleri (yang membuat pasukan Yunani berhati-hati pada Pertempuran Plataia), namun jika digunakan dalam kondisi yang tepat maka amat berpotensi menjadi senjata yang sangat berbahaya dan menghancurkan.
Di pihak lain, Persia sepertinya tidak terlalu memerhatikan penyebab kekalahan mereka di Marathon. Komposisi infanteri Persia pada invasi kedua tampak sama seperti pada invasi yang pertama, padahal pada masa itu di sejumlah daerah jajahan Persia juga sudah tersedia hoplites dan infanteri berat lainnya. Kemungkinan Persia bersikap begitu karena sebelum kalah di Marathon, pasukan Persia berhasil
mengalahkan sejumlah pasukan hoplites di beberapa kota lainnya di Yunani, sehingga Persia kemungkinan masih merasa bahwa infanteri mereka tidak kalah unggul dibanding hoplites dan menganggap bahwa peristiwa di Marathon hanyalah suatu penyimpangan.