Сражение разыгралось ночью. Афинянам удалось отразить натиск. Но судьбу боя должна была решить кавалерийская атака персов на изготовившихся к обороне спартанцев. Во главе своих отборных конников на белом скакуне сражался сам Мардоний. Несмотря на огромное численное превосходство, атакующим не удалось смять строй спартанцев. Персы понесли тяжелые потери, а когда был убит Мардоний, оставили поле боя. Вслед за ними начали отходить и неохотно поддерживавшие их греки из подвластных Персии городов Малой Азии.
Персидская армия укрылась в заранее подготовленном деревянном укреплении, но оно было взято благодаря отваге и искусству афинян, умевших штурмовать крепости. Ворвавшись в лагерь, греки захватили огромную добычу. Пленных не брали. Армия персов была разгромлена совершенно. Остатки ее бежали на север в Фессалию. По свидетельству греческих источников (вероятно, преувеличенному) из 300 тысяч персов спаслось только 43 тысячи человек.
Согласно легенде, Пифия повелела для очищения после варваров во всей Греции погасить огни, чтобы снова зажечь их от очага в Дельфах. Священный огонь принес платеец Евхид, который сбегал за ним в один день, пробежав расстояние в тысячу стадий (около 190 км), после чего умер. Возможно, что эта легенда и трансформировалась позднее в рассказ о марафонском вестнике.
Союзные войска под командованием Павсания, Аристида и выдвинувшегося в этих боях молодого афинского военачальника Кимона, сына Мильтиада, преследовали персов.
Павсаний вел себя как завоеватель — грубо и надменно. Он по своей прихоти взимал деньги с освобожденных греческих городов, что порождало недовольство даже у его союзников по коалиции. Аристид и Кимон, напротив, были снисходительны, — их встречали как подлинных освободителей. Сравнение было явно не в пользу спартанцев. Быть может отчасти по этой причине спустя два года после Платейской битвы Спарта отозвала Павсания и свои войска обратно. Были на то и более веские основания. Длительное отсутствие войска становилось опасным из-за постоянной угрозы восстания подвластных Спарте коренных жителей страны — илотов. Впрочем, Плутарх приписывает решение Спарты опасению, что власть и захваченное богатство развратят спартанских воинов и полководцев. По его словам спартанцы…
"… добровольно отказались от главенства и перестали посылать на войну командующих, предпочтя господству над всей Грецией мудрую воздержанность граждан и верность их отеческим обычаям". (XXIII)
