Quando la linea ateniese era pronta, secondo una fonte, il semplice segnale di avanzare fu dato da Milziade: "Molto probabilmente, marciarono fino a raggiungere il limite dell'efficacia degli arcieri, la "zona battuta", (circa 200 metri), e poi si misero a correre verso il nemico. p66 Erodoto suggerisce che questa era la prima volta che un esercito greco correva in battaglia in questo modo; questo probabilmente perché era la prima volta che un esercito greco affrontava un nemico composto principalmente da truppe missilistiche (arcieri, lanciatori di lancia).
Tutto questo fu evidentemente una grande sorpresa per i persiani. Passando attraverso la grandine di frecce, protetta per la maggior parte dalla loro armatura, la linea greca si scontrò infine con l'esercito nemico. Holland fornisce una descrizione suggestiva:
"Il nemico direttamente sul loro cammino... si rese conto con orrore che [gli Ateniesi], lungi dall'essere una facile preda per i loro arcieri, come avevano inizialmente immaginato, non sarebbero stati fermati... L'impatto fu devastante. Gli Ateniesi avevano affinato il loro stile di combattimento nei combattimenti con altre falangi, scudi di legno che si frantumavano contro scudi di legno, punte di lancia di ferro che si scontravano contro pettorali di bronzo... in quei primi terribili secondi di collisione, non c'era altro che un frantumarsi di metallo nella carne e nelle ossa; poi il rotolare della marea ateniese su uomini che indossavano, al massimo, giacche trapuntate per protezione, e armati, forse, con niente più che archi o fionde. Le lance di cenere degli opliti, invece di tremare... potevano invece pugnalare e pugnalare ancora, e quelli del nemico che evitavano i loro paurosi colpi potevano facilmente essere schiacciati a morte sotto il puro peso degli uomini di bronzo che avanzavano. "194-197
Le ali ateniesi sbaragliarono rapidamente le inferiori leve persiane (truppe coscritte) sui fianchi, prima di girare verso l'interno per circondare il centro persiano, che aveva avuto più successo contro il sottile centro greco. La battaglia terminò quando il centro persiano si diresse in preda al panico verso le proprie navi, inseguito dai greci. Alcuni, ignari del terreno locale, corsero verso le paludi dove un numero imprecisato di persone annegò. p71 Gli Ateniesi inseguirono i Persiani fino alle loro navi, e riuscirono a catturare sette navi, anche se la maggior parte fu in grado di varare.
Erodoto registra che 6.400 corpi persiani furono contati sul campo di battaglia. Non si sa quanti altri morirono nelle paludi. Gli ateniesi persero 192 uomini e i platani 11.