Keď bola aténska línia pripravená, podľa jedného z prameňov dal Miltiades jednoduchý signál na postup: "Na nich".p191 S najväčšou pravdepodobnosťou pochodovali, kým nedosiahli hranicu účinnosti lukostrelcov, "bitú zónu", (zhruba 200 metrov), a potom sa dali do behu smerom k nepriateľovi.p66 Hérodotos naznačuje, že to bolo po prvý raz, čo grécke vojsko takto bežalo do boja; pravdepodobne preto, že to bolo po prvý raz, čo grécke vojsko čelilo nepriateľovi zloženému prevažne zo strelných jednotiek (lukostrelci, vrhači oštepov).
To všetko Peržanov očividne veľmi prekvapilo. Grécka línia, ktorá prechádzala krupobitím šípov, chránená z väčšej časti svojím pancierom, sa nakoniec zrazila s nepriateľskou armádou. Holland uvádza sugestívny opis:
"Nepriateľ priamo v ich ceste... si s hrôzou uvedomil, že [Aténčania], ktorí zďaleka nie sú ľahkou korisťou pre ich lukostrelcov, ako si spočiatku predstavovali, sa nedajú zastaviť... Dopad bol zničujúci. Aténčania si svoj štýl boja vycibrili v boji s inými falangami, drevené štíty sa rozbíjali o drevené štíty, železné hroty kopijí narážali na bronzové panciere... v tých prvých strašných sekundách zrážky nebolo nič iné, len rozprašujúci náraz kovu do mäsa a kostí; potom sa aténsky príliv prevalil cez mužov, ktorí mali na ochranu oblečené nanajvýš prešívané džersíny a boli vyzbrojení možno len lukmi alebo prakom. Popolové kopije hoplitov namiesto toho, aby sa chveli..., mohli namiesto toho bodať a znovu bodať a tí z nepriateľov, ktorí sa vyhli ich strašnému bodaniu, mohli byť ľahko rozdrcené na smrť pod obrovskou váhou postupujúcich bronzových mužov."194–197
Aténske krídla rýchlo porazili slabšie perzské oddiely na krídlach a potom sa obrátili dovnútra, aby obkľúčili perzský stred, ktorý bol úspešnejší v boji s riedkym gréckym stredom. Bitka sa skončila, keď sa perzský stred v panike rozbehol k svojim lodiam prenasledovaný Grékmi. Niektorí z nich, neznalí miestneho terénu, utekali k močariskám, kde sa utopilo neznáme množstvo ľudí.p71 Aténčania prenasledovali Peržanov späť k ich lodiam a podarilo sa im zajať sedem lodí, hoci väčšinu z nich dokázali spustiť na vodu.
Hérodotos uvádza, že na bojisku bolo napočítaných 6 400 mŕtvych Peržanov. Nie je známe, koľko ďalších zahynulo v bažinách. Aténčania stratili 192 mužov a Platejci 11.
