Боевой порядок персов состоял из пеших лучников, располагавшихся в центре, и конницы, строившейся на флангах.

Чтобы не дать персидской коннице времени атаковать греков на равнине и чтобы вслед за стрельбой из луков непосредственно перейти к рукопашному бою, Мильтиад двинулся с высот на неприятеля "беглым маршем". "Беглый марш" позволял быстро преодолевать поражаемое стрелами пространство и морально действовал на противника.

Выдержав первый натиск, персидские лучники контратаковали греков, прорвали слабый центр афинской фаланги и преследовали афинян в глубь долины. Но сильные фланги греческой фаланги опрокинули персидскую конницу, которой не удалось прорвать здесь ряды афинян, и пошли против персидского центра, спеша на помощь своим стесненным товарищам. Следствием этой атаки стало поражение персидских лучников. Окруженные со всех сторон, персы обратились в бегство.

Афиняне завладели семью кораблями. На остальных кораблях персы отплыли в море, стремясь достичь Афин раньше, чем это сделает греческое войско. Афиняне также устремились в город и, опередив противника, достигли его раньше, чем персидское войско. Мильтиад расположил свое войско на восточной стороне Афин. Персы, подойдя на своих кораблях к Фалеру (Фалер был тогда гаванью афинян) и увидев, что афинское войско стоит у города и готово к битве, не отважились высадиться. Персидский флот повернул назад и поплыл обратно в Азию.

В бою греки потеряли 192 человека, персы — 6 400 человек.

В Марафонской битве греки дали первый отпор персам. Этот бой показал, что тяжеловооруженной, хорошо обученной пехоте не страшна иррегулярная конница. На месте сражения на Марафонском поле, рядом с братской могилой воинов, павших за родину, был воздвигнут памятник в честь вождя греков Мильтиада. Сцены из марафонской битвы были изображены в одном из портиков, находившихся на главной площади Афин.