На помощь восставшим должны были прийти главные силы Дария. Когда персидский военачальник Датис убедился, что армия Афин прибыла к Марафону, то счел свою задачу выполненной. Персы начали грузиться на корабли. Командующий афинским отрядом Мильтиад атаковал прикрывавший отход персидский арьергард и нанес ему поражение. Персидская кавалерия — главная сила Дария — была уже погружена на корабли и в бою не участвовала. Со стороны персов сражались только пешие лучники и скорее всего небольшая фаланга греческих гоплитов. Фаланга во главе с Мильтиадом, когда до противника оставалось 150–200 шагов — дистанция полета выпущенной из лука стрелы, перешла на бег. Тем самым они не дали возможности времени неприятельским лучникам для эффективного обстрела. Кроме того, быстрый бег усиливал силу натиска. Персидские войска не выдержали напора и вынуждены были отступить к гавани. Афинская армия вынуждена была сделать передышку, так как бойцы утомились от быстрого бега, а фаланга по ходу боя нарушила свой строй. С помощью фаланги легко было выиграть бой, но трудно — реализовать плоды победы. Персидские лучники рассеялись и смогли быстро добраться до кораблей. Когда через несколько часов афиняне возобновили преследование, персы уже успели погрузиться на корабли, но вынуждены были бросить часть своего имущества в лагере, доставшегося победителям. Но ни пленных, ни лошадей грекам захватить не удалось. Основные потери они понесли при схватке с персидским арьергардом уже на берегу. Здесь пал и афинский стратег Каллимах, который скорее всего и командовал в действительности греческой армией в битве при Марафоне, и лишь позднейшая историческая традиция приписала ведущую роль уцелевшему Мильтиаду.

Геродот утверждает, что афиняне потеряли 195 человек убитыми, а персы — 6400. В действительности потери персов вряд ли существенно превышали потери афинян. Дело в том, что на поле сражения афиняне погребли не только своих, но и персов. Холм с захоронением греков был впоследствии раскопан археологами. Если бы персов погибло несколько тысяч, как говорил Геродот, то их захоронение представляло бы собой еще более внушительную возвышенность. Но ничего подобного на марафонском поле так и не было обнаружено.