Мильтиад построил греческую фалангу при входе в Марафонскую долину. На правом фланге находились лучшие афинские гоплиты, левее выстроились остальные воины по филам; левый фланг составил отряд платеян. Правым крылом предводительствовал Каллимах, левым флангом командовал Аемнест.
Итак, битва началась, по всей видимости, с атаки персов. На обоих флангах неприятель был отбит афинянами и платейцами, но в центре перевес был на стороне персов. После этого Мильтиад дает сигнал к атаке беглым маршем, с целью уменьшить воздействие стрельбы опытных персидских лучников. Беглый марш позволял быстро преодолевать поражаемое стрелами пространство и морально воздействовал на противника.
В результате этого удара сильные фланги греческой фаланги опрокинули персидскую конницу которой не удалось прорвать здесь ряды афинян, и пошли против персидского центра, спеша на помощь своим стесненным в центре товарищам. Следствием этой атаки стало полное поражение персидских лучников. Окруженные с трех сторон, персидские воины обратились в бегство. Персы бежали в лагерь и стали спешно садиться на корабли; греки гнались за ними и, после схватки на берегу, захватили семь кораблей. На остальных кораблях персы отплыли в море, стремясь достичь Афин раньше, чем это сделают греки. Афиняне также устремились к родному городу и успели опередить противника. Мильтиад расположил свое войско на восточной стороне Афин. Персы, подойдя на своих кораблях к Фалеру (Фалер был тогда гаванью афинян) и увидев, что афинское войско стоит у города и готово к битве, не отважились высадиться. Персидский флот повернул назад и поплыл обратно в Азию.
В Марафонской битве греки дали первый отпор персам. Этот бой показал, что тяжеловооруженной, хорошо обученной пехоте не страшна иррегулярная конница. На месте сражения на Марафонской равнине, рядом с братской могилой воинов, павших за родину, был воздвигнут памятник в честь выдающейся победы.
Так кончился первый поход персов на Элладу. Афинянам победа стоила гибели ста девяноста двух человек, в числе которых были полемарх Каллимах и брат трагика Эсхила, Кинегир; потери персов Геродот исчисляет примерно в шесть тысяч четыреста человек (скорее всего, это преувеличение). Это была первая победа эллинов над персами; ближайшими последствиями ее стали упрочение афинской демократии и готовность эллинов помериться силами с могущественной Персидской державой и в будущем: без Марафона едва ли были бы возможны Саламин и Платеи.
