Далее было то, чего и следовало ожидать. Персидский центр прорвал ослабленные греческие линии в середине и устремился в преследование за греками, бегущими вглубь территории, от моря. Однако на обоих крыльях одерживали верх афиняне и платейцы. Увидев, что происходит, персидские войска в центре отказались от преследования и стали в панике рваться обратно к морю. Афиняне не стали преследовать обратившихся в бегство врагов, но, соединив оба крыла, сражались с врагами, прорвавшими центр. Их собственный центр враг теснил к греческому лагерю на юге, но между ним и сомкнутыми греческими крыльями теперь находился персидский центр, отрезанный от обоих флангов, которые быстро и беспорядочно отступали. Греки развернулись и начали убивать персов в своем тылу, и, несомненно, их поддержал собственный центр, теперь собравшийся. Персидская армия оказалась разделена надвое.
К концу дня 12 августа 490 года до н. э. первое персидское вторжение в Грецию завершилось. Не только персы, прорвавшиеся сквозь греческий центр, были разбиты, но также большая часть армии была оттеснена на север и погибла в предательских болотах. Потери персов составили 6500 человек убитыми, а афинян – менее 200 человек. Мы не располагаем данными о потерях платейцев и рабов, составлявших часть греческой армии. Это была славная победа, доказавшая, что дисциплина, смелость и отличное командование важнее, чем численное преимущество. Контингент из 2000 спартанцев – возможно, авангард – прибыл к афинянам слишком поздно, чтобы принять участие в сражении. Им оставалось только поздравить афинян и платейцев с победой.
До последнего момента кампания могла закончиться поражением греков. Датис, как только погрузил на суда оставшиеся войска на поле Марафона, направился на юг, чтобы попытаться взять Афины с моря. Победителям пришлось поспешить в Фалерон, порт Афин. Когда персидский флот подошел к берегу, персы увидели людей, только что разгромивших их при Марафоне, в боевой готовности на оливково-серебристых шлюпах. Вторжение завершилось.
Афинский бегун Фидиппид, направлявшийся на юг в Спарту с известием о персидском вторжении, позднее рассказывал, что в горах Аркадии он встретил бога Пана. Тот назвал его по имени и упрекнул в том, что афиняне ему почти не поклоняются, хотя он всегда был их другом. Когда Фидиппид поведал о своей встрече с аркадским божеством афинянам, они немедленно построили Пану святилище и стали ежегодно проводить церемонии в его честь. Ранее этот древний бог, которого почитали в Греции задолго до того, как там окончательно осели греки, был весьма незначительным объектом культа. Зато после Марафона Пан, часто присутствующий в мифах и западной литературе, приобрел большую важность. Теперь он посылал видения и сны, отдыхал в полдень, как пастух, и очень не любил, когда его сиесту прерывали. Согласно легенде, появившейся во время правления римского императора Тиберия, Пан умер последним из старых богов. Позже христиане говорили, что он умер в момент рождения Христа.