Lorsque la ligne athénienne fut prête, selon une source, le simple signal d'avancer fut donné par Miltiades : "A eux". p191 Très probablement, ils ont marché jusqu'à la limite de l'efficacité des archers, la "zone battue", (environ 200 mètres), puis se sont lancés dans une course vers leur ennemi. p66 Hérodote suggère que c'était la première fois qu'une armée grecque se lançait dans une bataille de cette manière ; c'est probablement parce que c'était la première fois qu'une armée grecque faisait face à un ennemi composé principalement de troupes de missiles (archers, lanceurs de lances).
Tout cela a évidemment surpris les Perses. Traversant la grêle de flèches, protégée en grande partie par leurs armures, la ligne grecque finit par entrer en collision avec l'armée ennemie. La Hollande en fournit une description évocatrice :
"L'ennemi qui se trouvait directement sur leur chemin... a réalisé avec horreur que [les Athéniens], loin de fournir les pics faciles à leurs archers, comme ils l'avaient d'abord imaginé, n'allaient pas être arrêtés... L'impact a été dévastateur. Les Athéniens avaient perfectionné leur style de combat en s'affrontant à d'autres phalanges, des boucliers de bois se brisant contre des boucliers de bois, des pointes de lances en fer s'entrechoquant contre des cuirasses de bronze...dans ces premières terribles secondes de collision, il n'y eut rien d'autre qu'un fracas pulvérisant du métal en chair et en os ; puis le roulement de la marée athénienne sur des hommes portant, tout au plus, des jerkins matelassés pour se protéger, et armés, peut-être, de rien d'autre que d'arcs ou de frondes. Les lances en cendre des hoplites, plutôt que de frissonner... pouvaient au contraire poignarder et poignarder encore, et ceux de l'ennemi qui évitaient leurs redoutables coups de poignard pouvaient facilement être écrasés à mort sous le poids des hommes de bronze qui avançaient" 194-197
Les ailes athéniennes ont rapidement mis en déroute les levées persanes inférieures (troupes conscrites) sur les flancs, avant de se replier vers l'intérieur pour entourer le centre persan, qui avait mieux réussi contre le maigre centre grec. La bataille s'est terminée lorsque le centre persan a alors cédé à la panique face à leurs navires, poursuivis par les Grecs. Certains, ignorant le terrain local, coururent vers les marécages où un nombre inconnu de personnes se noyèrent. p71 Les Athéniens poursuivirent les Perses jusqu'à leurs navires, et réussirent à capturer sept navires, bien que la plupart aient pu se lancer.
Hérodote rapporte que 6 400 corps persans ont été comptés sur le champ de bataille. On ignore combien d'autres sont morts dans les marécages. Les Athéniens ont perdu 192 hommes et les Platéens 11.