Când linia ateniană a fost pregătită, potrivit unei surse, semnalul simplu de înaintare a fost dat de Miltiades: "La ei".p191 Cel mai probabil, au mărșăluit până când au ajuns la limita de eficacitate a arcașilor, "zona de bătaie", (aproximativ 200 de metri), și apoi au rupt-o la fugă spre inamic.p66 Herodot sugerează că aceasta a fost prima dată când o armată greacă a alergat în luptă în acest mod; probabil pentru că era pentru prima dată când o armată greacă se confrunta cu un inamic compus în principal din trupe de rachete (arcași, aruncători de suliță).
Evident, toate acestea i-au surprins foarte mult pe perși. Trecând prin ploaia de săgeți, protejată în mare parte de armura lor, linia greacă s-a ciocnit în cele din urmă cu armata inamică. Holland oferă o descriere sugestivă:
"Inamicul aflat direct în calea lor... a realizat cu groază că [atenienii], departe de a oferi pradă ușoară pentru arcașii lor, așa cum își imaginaseră la început, nu aveau de gând să fie opriți... Impactul a fost devastator. Atenienii își perfecționaseră stilul de luptă în confruntări cu alte falange, scuturi de lemn izbindu-se de scuturi de lemn, vârfuri de suliță de fier izbindu-se de platoșe de bronz...în acele prime secunde teribile de ciocnire, nu a fost nimic altceva decât o prăbușire pulverizatoare a metalului în carne și oase; apoi rostogolirea valului atenian peste oameni care purtau, cel mult, jerbe matlasate pentru protecție și înarmați, poate, doar cu arcuri sau praștii. Lăncile de cenușă ale hoplitelor, în loc să tremure... puteau în schimb să înjunghie și să înjunghie din nou, iar cei dintre inamici care evitau înfricoșătoarea lor înțepătură puteau fi cu ușurință striviți până la moarte sub greutatea pur și simplu a oamenilor de bronz care înaintau."194–197
Aripile ateniene au înfrânt rapid legiunile persane inferioare (trupe recrutate) de pe flancuri, înainte de a se întoarce spre interior pentru a înconjura centrul persan, care a avut mai mult succes împotriva centrului grecesc subțire. Bătălia s-a încheiat atunci când centrul persan s-a îndreptat în panică spre navele lor, urmărit de greci. Unii, neștiind de terenul local, au fugit spre mlaștini, unde un număr necunoscut de oameni s-au înecat.p71 Atenienii i-au urmărit pe perși până la navele lor și au reușit să captureze șapte nave, deși majoritatea au reușit să se lanseze.
Herodot consemnează că pe câmpul de luptă au fost numărate 6.400 de cadavre persane. Nu se știe câți alții au murit în mlaștini. Atenienii au pierdut 192 de oameni, iar platanii 11.