Сражение персы начали как обычно — основу их построения составлял «победоносный» центр, которому предстояло расколоть на две части неприятельский строй. Мильтиад был хорошо знаком с военным искусством персов и рискнул изменить построение греческих боевых порядков, традиционных для того времени. Он стремился длинной фалангой тяжеловооружённой греческой пехоты охватить всю ширину Марафонской долины. Благодаря этому можно было избежать окружения, ведь персидский полководец имел лёгкую конницу, а Мильтиад нет. Фланги фаланги упирались в каменистые взгорья, через которые конница персов не могла пройти, особенно под обстрелом греческих лучников и пращников. На флангах были устроены засеки из срубленных деревьев.
Удлинив таким образом фалангу пеших воинов, Мильтиад сознательно ослабил её центр, усилив одновременно её фланги. Там встали отборные отряды афинских пеших воинов и немногочисленная конница греков.
Войско персидского царя и объединённое войско афинян и платейцев трое суток стояли на боевых позициях друг против друга. Мильтиад не начинал битву, потому что ждал обещанной помощи из Спарты. Персы тоже выжидали, они надеялись, что их хорошо видимое численное превосходство устрашит противника.
Персы первыми начали битву. Их огромное войско, плохо соблюдая строй, стало накатываться на греческую фалангу, которая в ожидании подхода врага замерла, перегородив по ширине всю Марафонскую долину. Уже само начало сражения обещало царскому полководцу скорую, на его взгляд, победу. «Победоносный» центр персидской армии таранным ударом отбросил назад центр греческой фаланги, которая по приказу Мильтиада нанесла контрудар по атакующему врагу. Под натиском людской массы та все же устояла и не разорвалась на части.
После этой атаки персов произошло то, чего Датис никак не ожидал. Крылья греческой фаланги удлинились, и оба фланга греков нанесли сильные удары по атакующим и отбросили их назад. В результате обнажились фланги «победоносного» центра, который оказался в полукольце и был наголову разгромлен. Датис, как ни пытался, не смог восстановить порядок в своих войсках. Да и к тому же он не имел большого резерва, чтобы направить его на помощь избиваемым греками царским воинам в самом центре Марафонской долины.
Персидское войско охватила паника, и оно устремилось к морскому берегу, к своим кораблям. По приказу Мильтиада греки, восстановив монолитность своей фаланги, начали преследовать бегущего противника.
Персам удалось добежать до близкого берега и спустить на воду суда. Они на всех парусах и вёслах пустились прочь от берега, спасаясь от греческих лучников.