Quando a linha ateniense estava pronta, segundo uma fonte, o simples sinal para avançar foi dado por Miltiades: "p191 Muito provavelmente, eles marcharam até atingir o limite da eficácia dos arqueiros, a "zona vencida", (cerca de 200 metros), e depois entraram em uma corrida em direção ao inimigo. p66 Heródoto sugere que esta foi a primeira vez que um exército grego entrou em batalha desta forma; isto provavelmente porque foi a primeira vez que um exército grego enfrentou um inimigo composto principalmente de tropas de mísseis (arqueiros, arremessadores de lanças).
Tudo isso foi evidentemente uma grande surpresa para os persas. Passando pelo granizo das flechas, protegidas em sua maior parte por suas armaduras, a linha grega finalmente colidiu com o exército inimigo. A Holanda fornece uma descrição evocativa:
"O inimigo diretamente em seu caminho... percebeu ao seu horror que [os atenienses], longe de proporcionar as fáceis colheitas para seus arqueiros, como haviam imaginado inicialmente, não iriam ser interrompidas... O impacto foi devastador. Os atenienses tinham aperfeiçoado seu estilo de luta em combate com outras falanges, escudos de madeira quebrando contra escudos de madeira, pontas de lança de ferro batendo contra couraças de bronze... naqueles primeiros terríveis segundos de colisão, não havia nada além de um choque pulverizador de metal em carne e osso; depois, o rolar da maré ateniense sobre homens usando, no máximo, punhos acolchoados para proteção, e armados, talvez, com nada mais do que arcos ou fundas. As lanças de cinzas dos hoplites, em vez de tremerem... poderiam, em vez disso, esfaquear e apunhalar novamente, e as do inimigo que evitassem seus temíveis golpes poderiam facilmente ser esmagadas até a morte sob o puro peso dos homens de bronze que avançavam". 194-197
As asas atenienses rapidamente encaminharam as taxas inferiores persas (tropas recrutadas) nos flancos, antes de virar para dentro para cercar o centro persa, que tinha sido mais bem sucedido contra o fino centro grego. A batalha terminou quando o centro persa entrou em pânico em relação a seus navios, perseguidos pelos gregos. Alguns, desconhecendo o terreno local, correram em direção aos pântanos onde números desconhecidos se afogaram. p71 Os atenienses perseguiram os persas de volta para seus navios, e conseguiram capturar sete navios, embora a maioria tenha sido capaz de lançar.
Heródoto registra que 6.400 corpos persas foram contados no campo de batalha. Não se sabe quantos mais morreram nos pântanos. Os atenienses perderam 192 homens e os plataenses 11.