Когда афинская линия была готова, согласно одному источнику, Мильтиад дал простой сигнал к наступлению: "На них".p191 Скорее всего, они маршировали, пока не достигли предела эффективности лучников, "зоны поражения" (примерно 200 метров), а затем перешли на бег навстречу врагу.p66 Геродот предполагает, что это был первый случай, когда греческая армия бежала в бой таким образом; вероятно, это было связано с тем, что впервые греческая армия столкнулась с врагом, состоящим в основном из ракетных войск (лучники, копьеносцы).
Все это, очевидно, очень удивило персов. Пройдя сквозь град стрел, защищенные по большей части своими доспехами, греческая линия наконец столкнулась с вражеской армией. Холланд дает впечатляющее описание:
"Враг, находившийся прямо на их пути... к своему ужасу понял, что [афиняне], отнюдь не являясь легкой добычей для их лучников, как они сначала думали, не собираются быть остановленными... Удар был разрушительным. Афиняне оттачивали свой стиль боя в боях с другими фалангами, деревянные щиты разбивались о деревянные щиты, железные наконечники копий бились о бронзовые нагрудники... в те первые ужасные секунды столкновения не было ничего, кроме грохота металла о плоть и кости; затем афинский прилив покатился по людям, одетым в стеганые куртки для защиты, и вооруженным, возможно, только луками или пращами. Ясеневые копья гоплитов, вместо того чтобы дрожать... могли колоть и колоть снова, а те враги, которые избегали их страшных ударов, могли быть легко раздавлены насмерть под тяжестью наступающих людей из бронзы".194–197
Афинские крылья быстро разгромили неполноценные персидские левионы (призывные войска) на флангах, а затем повернули внутрь, чтобы окружить персидский центр, который был более успешен против тонкого греческого центра. Сражение закончилось, когда персидский центр в панике бросился к своим кораблям, преследуемый греками. Некоторые, не зная местность, побежали к болотам, где неизвестное число людей утонуло.p71 Афиняне преследовали персов до их кораблей, и им удалось захватить семь кораблей, хотя большинство из них удалось спустить на воду.
Геродот сообщает, что на поле боя было насчитано 6 400 трупов персов. Неизвестно, сколько еще погибло в болотах. Афиняне потеряли 192 человека, а платейцы - 11.