Первый день после прибытия в лагерь проведен был в покое. На следующее утро греки выстроились в боевой порядок с целью заставить персов приступить к делу, чтобы видеть, хотят ли они сами напасть или ожидают нападения. В это время к афинянам из гор неожиданно подошли на помощь 1000 гоплитов — все способное носить оружие население Платеи, не забывшей своих друзей в затруднительных обстоятельствах и желавшей сразиться за свободу, между тем как остальные соседи, ничего не предпринимая, трепетали от страха и думали спастись покорностью. Такая неожиданная помощь великодушных друзей воодушевила афинян, и Мильтиад не замедлил воспользоваться таким настроением войска. Он решился на следующий же день дать сражение; это было 12 сентября 490 года — день, в который он и по обыкновенному порядку имел главное начальство над войском.
Обе армии, готовившиеся в этот день к решительному сражению, отличались одна от другой не только по своей численности, 11000 против 100000, но еще более по характеру, вооружению и способу военных действий, греческая армия состояла из тяжеловооруженной пехоты, гоплитов, с медными шлемами, в латах и набедренниках, с большими медными щитами; их оружием было длинное метательное копье. В крепко сомкнутых колоннах в 4–6 рядов они шли на неприятеля и сражались в упор, пока не опрокидывали его или пока не разрывались их собственные ряды. Пехота азиатской армии была легковооруженная, без шлемов и панцирей, и защищалась легкими плетеными щитами; главное оружие ее составляли лук и сабля. Однако сабля редко пускалась в ход, так как дело редко доходило до рукопашной свалки. Скучившись в неповоротливые четырехугольники, персы старались издали осыпать неприятеля градом стрел до тех пор, пока поредевшие колонны его не давали возможности коннице, составлявшей главную силу персидского войска, сделать нападение. Персидский солдат сражался без высшего интереса, с дикой яростью, послушный команде своего предводителя; он едва ли знал, за что сражается, кроме добычи. Но греки стояли на родной земле с решительным намерением по чувству долга драться за все, что им дорого и свято, за свою свободу и права, за дом и очаг, за жен и детей, за родную землю и за храмы своих богов. Войско, которое добровольно защищает свои высшие интересы, может смело идти на борьбу с армией рабов, в десять раз превосходящей его по численности.
Утром в день сражения Мильтиад расположил свое войско в боевом порядке на склоне возвышенности перед рощей Геркулеса. Чтобы не быть окруженным массами персов, он растянул свою боевую линию как можно больше, от 4 до 5000 шагов, поставив во фронте около 2500 человек и особенно усилив оба крыла, так что здесь один за другим стояло от 5 до 6 щитов, между тем как в центре боевой линии, где поставлены были Антиохийская фила под начальством Аристида и Леонтийская под начальством Фемистокла, стена состояла только из 2 или трех щитов. На правом крыле командовал, по обычаю, полемарх; на краю левого крыла стояли платейцы под начальством храброго Аэмнеста. Когда жертва, принесенная полемархом Эниалию и Артемиде Агротере, оказалась благоприятной, войску отдан был приказ начать на падение. Чтобы не дать персидской коннице времени атаковать греков на равнине и чтобы вслед за стрельбой из луков непосредственно перейти к рукопашному бою, Мильтиад двинулся с высот на неприятеля беглым маршем. Расстояние, однако же, было не менее восьми стадий. Персы, увидев такое стремительное нападение афинян, были изумлены и считали их потерявшими рассудок; при своей малочисленности, производя такое нападение, они как будто стремились к собственной погибели. Персы построились перед своим лагерем в четырехугольник и ожидали нападения. Скоро закипел жестокий рукопашный бой. После продолжительной и жаркой борьбы центр персидской армии, где дрались сами персы и саки, прорвал слабый центр афинян и стал преследовать отступающих вовнутрь страны; при этом были захвачены вооруженные пращами афинские рабы, выносившие из строя раненых. Но на обоих крыльях афиняне обратили своих противников в бегство и потом пошли против персидского центра, чтобы помочь своим стесненным товарищам. Окруженные со всех сторон, персы и саки скоро обратились в бегство. Афиняне гнали и опрокидывали все, что им встречалось. Персидское войско только поспешным бегством спаслось от совершенного уничтожения. Дикая резня продолжалась у кораблей, которые персы спускали на воду при беспрерывных атаках неприятеля, хотевшего захватить и сжечь суда. В этом сражении были убиты, после геройского сопротивления, полемарх Каллимах, стратег Стесилай и многие другие знатные афиняне; Кинагиру, сыну Эвфориона и брату поэта Эсхила, участвовавшему в этой битве, отрубили в сражении топором руку, но, тем не менее, он отбил и удержал один корабль. Позднейшие приукрашенные рассказы прибавляют, что, лишившись правой руки, он уцепился за корабль левою, а когда ему отрубили и эту, он схватился за него зубами, пока не был убит совсем. Число персов было слишком велико для того, чтобы афиняне могли отнять у них много кораблей. Всего было захвачено только семь и, кроме того, лагерь с огромными богатствами. В лагере найдены были цепи, предназначавшиеся для порабощенных афинян. Прекрасное поэтическое сказание передает, что афиняне в завоеванном лагере нашли глыбу паросского мрамора, предназначавшегося персами на трофей; из него впоследствии сделана была статуя богине Немезиде, так как Немезида, смирительница гордых, ниспровергла гордое могущество персов на поле марафонском.
Велика была радость афинян по случаю неожиданной победы.
Один гражданин тотчас же после сражения, в полом вооружении, покрытый кровью и пылью, поспешил в город, чтобы возвестить о ней. «Радуйтесь, граждане, мы победили!» — закричал он и упал мертвый на землю. С ничтожными потерями была приобретена великая победа: только 192 гражданина были убиты. Из персов осталось на поле сражения 6400 человек — цифра небольшая сравнительно с громадностью армии; они поспешно убрались на корабли. Покрытая бесчестием, персидская армия пустилась в открытое море; афиняне смотрели ей вслед с гордым самодовольством. Но как они перепугались, заметив, что удалявшийся флот стал огибать мыс Суний к западу, по направлению к их столице! Очевидно было, что персы намеревались напасть на беззащитный город, пока войско находилось еще на поле марафонском. Мильтиад быстро сообразил, что ему делать; оставив Аристида с его Антиохидами на поле сражения для охранения добычи, трофеев и раненых, он сам с остальным войском поспешил к городу. В тот же самый день вечером он явился перед Афинами и расположил свое войско на восточной стороне города, в Киносарге. На другое утро персидский флот увидел, что афинское войско стоит у города и готово к битве, и не отважился сделать высадку. Он повернул назад, забрал в Эгилее пленных эретрийцев вместе с оставленным там гарнизоном и поплыл в Азию.
Иппия, рассчитывавший при помощи персидского оружия снова овладеть своим отечественным городом, теперь с разбитым сердцем, в последний раз безнадежно смотрел на родные горы. Он как будто предчувствовал, что ему не суждено кончить дни свои в отечестве. Геродот рассказывает, что Иппия, распоряжаясь высадкой персов при Марафоне, стал необыкновенно сильно чихать и кашлять; при довольно пожилых летах у него от кашля выпал один зуб. Долго и тщетно искав его на песке, он, вздохнув, сказал окружающим: «Эта земля — не наша и нам не завладеть ею; если мне принадлежит что-нибудь на ней, так это один только мой зуб». В то время как персидский флот чрез Кикладские острова возвращался домой, Иппия поплыл на север, к Сигейону, но по дороге заболел в Лемносе, ослеп и умер жалким образом, «пораженный гневом отечественных богов». Менее вероятные известия показывают его павшим на марафонском поле.
На другой день после сражения в Афины явились из Спарты на помощь 2000 гоплитов. Они оставили Спарту по окончании полнолуния и в три дня прошли 28 миль. Но они пришли слишком поздно. Осмотрев поле сражения, убитых персов и прославив подвиг афинян, они возвратились домой с сердцем, полным зависти, что сами не могли принять участие в столь славном деле. Они хорошо понимали, что поле марафонское было почвой, на которой станет возрастать до затмевающей величины ненавистное для них могущество афинян.
Скороход Фидиппид рассказывал афинянам после возвращения из Спарты, что на дороге в верхней части Тегеи в Аркадии, на горе Парфенион, ему явился бог Пан, позвал его и приказал сказать афинянам, отчего они совсем забыли его, когда он уже много добра сделал им и впоследствии еще сделает. Теперь, после сражения, думали, что Пан исполнил свое обещание, наведя во время битвы панический страх на неприятеля. В благодарность за это ему посвящен был грот в скалистой стене города, в виде храма, и в честь его установлены ежегодные жертвы и процессии с факелами. Еще и теперь заметен грот Пана, влево от входа в акрополь. Мильтиад же выразил свою благодарность Пану, воздвигнув ему статую с надписью:
