Nacierający greccy hoplici najprawdopodobniej pokonali ostatni odcinek tej trasy biegiem (wg różnych szacunków od 100 do 300 m) w celu zniwelowania efektów ostrzału perskich łuczników. Po zwarciu się obydwu armii osłabione centrum greckiej armii uległo Persom i Sakom, ale na skrzydłach zwycięstwo przypadło Ateńczykom i Platejczykom. Zamiast prowadzić pościg za uciekającymi przeciwnikami, oddziały greckiego lewego i prawego skrzydła dokonały natarcia na odsłonięte flanki centrum achemenidzkiej armii. Przesądziło to o wyniku bitwy, gdyż zaatakowani z dwóch stron Persowie i Sakowie także poszli w rozsypkę. Grecy ścigali uciekającego przeciwnika aż do plaży Schoinia, gdzie doszło do wznowienia walk. Na plażę tę od strony równiny maratońskiej można było dostać się jedynie przez wąski skrawek lądu, gdyż opodal znajdowały się tereny bagienne, co skłania część badaczy do przypuszczenia, że wielu spośród uciekających Persów poniosło śmierć w bagniskach. Ateńczykom i Platejczykom udało się zdobyć siedem perskich okrętów, ale w boju na plaży śmierć poniósł polemarch Kallimach oraz jeden ze strategów o imieniu Stesileos. Herodot podaje, że w bitwie poległo 192 Ateńczyków, nie wiemy wszakże ilu Platejczyków poniosło śmierć. Straty armii perskiej miały natomiast wynieść według „ojca historii” aż 6400 zabitych.
Następstwa bitwy