Toen de Atheense linie gereed was, werd volgens één bron het eenvoudige signaal om op te rukken door Miltiades gegeven: "p191 Waarschijnlijk marcheerden ze tot ze de grens van de doeltreffendheid van de boogschutters bereikten, de "geslagen zone", (ruwweg 200 meter), en renden dan naar hun vijand. p66 Herodotus suggereert dat dit de eerste keer was dat een Grieks leger op deze manier de strijd in rende; dit was waarschijnlijk omdat het de eerste keer was dat een Grieks leger tegenover een vijand stond die hoofdzakelijk uit rakettroepen bestond (boogschutters, speerwerpers).
Dit alles was duidelijk tot grote verrassing van de Perzen. Door de hagel van pijlen heen, voor het grootste deel beschermd door hun wapenrusting, kwam de Griekse linie tenslotte in botsing met het vijandelijke leger. Holland geeft een beeldende beschrijving:
"De vijand die zich direct op hun pad bevond... realiseerde zich tot hun afgrijzen dat [de Atheners], in plaats van een gemakkelijke prooi voor hun boogschutters te zijn, zoals ze zich eerst hadden voorgesteld, zich niet zouden laten tegenhouden... De impact was verwoestend. De Atheners hadden hun vechtstijl geperfectioneerd in gevechten met andere falanxen, houten schilden die tegen houten schilden botsten, ijzeren speerpunten die tegen bronzen borstplaten kletterden... in die eerste verschrikkelijke seconden van de botsing was er niets dan een verpulverend botsen van metaal tegen vlees en botten; dan het rollen van de Atheense vloed over mannen die hooguit gewatteerde jerkins droegen als bescherming, en gewapend waren, misschien, met niet meer dan bogen of katapulten. De as-speren van de hoplieten, in plaats van te beven...konden in plaats daarvan steken en nog eens steken, en diegenen van de vijand die hun angstige stoten konden ontwijken, konden gemakkelijk doodgedrukt worden onder het pure gewicht van de oprukkende mannen van brons. "194-197
De Atheense vleugels verpletterden snel de inferieure Perzische heffingen (dienstplichtige troepen) op de flanken, voordat ze naar binnen keerden om het Perzische centrum te omsingelen, dat meer succes had gehad tegen het dunne Griekse centrum. De slag eindigde toen het Perzische centrum in paniek naar hun schepen vluchtte, achtervolgd door de Grieken. Sommigen, zich niet bewust van het plaatselijke terrein, renden naar de moerassen waar onbekende aantallen verdronken. p71 De Atheners achtervolgden de Perzen terug naar hun schepen, en slaagden erin zeven schepen gevangen te nemen, hoewel de meeste te water konden worden gelaten.
Herodotus schrijft dat er 6.400 Perzische lichamen op het slagveld werden geteld. Het is onbekend hoeveel er nog in de moerassen stierven. De Atheners verloren 192 man en de Plataeërs 11.