Бившийся в первых рядах спартанец Аримнест заметил высокого всадника на белом коне, руководившего вражеской атакой, и понял, что это Мардоний. Аримнест метнул копье, но вражеский командующий вовремя заметил опасность и уклонился в сторону. Тогда спартанец подхватил с земли тяжелый камень и бросил в Мардония, попав в висок персидскому полководцу. Военачальник свалился с коня на землю, и эллины устремились вперед, чтобы завладеть телом врага. Отчаянная схватка закипела над телом поверженного героя и продолжалась до тех пор, пока не был убит последний из телохранителей Мардония. Когда отряд панцирной кавалерии персов был уничтожен, азиатская пехота дрогнула и обратилась в бегство. Персы массово побежали к своему лагерю, чтобы укрыться за деревянным частоколом. Там должен был находиться Артабаз с большим отрядом, и беглецы надеялись, что военачальник сумеет организовать сопротивление на последнем рубеже обороны. Но в лагере Артабаза не было. Как только началось сражение, он быстро вывел войска из стана и повел по направлению к Фивам. Когда же гонец доложил ему о том, что Мардоний убит, а армия разбегается, то Артабаз быстро изменил маршрут движения и повел своих людей в Фокиду. Он предполагал, что после своей победы эллины пойдут на Фивы, и не хотел оказаться в ловушке. Военачальник стремился как можно скорее добраться до Геллеспонта и переправить отряд в Малую Азию до прибытия к проливам греческого флота.
Обнаружив, что в лагере нет ни свежих войск, ни Артабаза, уцелевшие персидские командиры решили защищать укрепления своими силами. Они расставили вдоль частокола лучников, перестроили отряды пехоты и широко распахнули ворота, чтобы пропустить всех беглецов, из которых тут же формировали новые отряды. Когда же показалась фаланга лакедемонян, персы завалили ворота и приготовились к бою. Эллины с ходу пошли на штурм, но персы бились так яростно, что отразили все атаки. Павсаний велел отступить и повторить штурм, но поскольку спартанцы совершенно не умели осаждать крепостей, то и эта их попытка потерпела неудачу. На какое-то время сражение за лагерь затихло.
Аристид дождался возвращения вестника от Павсания и приказал своим людям готовиться к выступлению. Неожиданно до афинян стали доноситься звуки отдаленного сражения, которые становились все громче и громче, и вскоре никто уже не сомневался, что битва началась. Что делать в сложившейся ситуации, афинские стратеги не знали. Но прибыл гонец от командующего и передал приказ Павсания срочно идти на помощь лакедемонянам. Военачальники немедленно отдали приказ о выступлении, но когда афинская фаланга шла через равнину, путь ей преградили греческие союзники персов. Сражение было неизбежно, и только Аристид, в силу своего взгляда на мир, попробовал договориться по-хорошему. Покинув ряды гоплитов, он приблизился к вражескому строю и прокричал, чтобы эллины не преграждали путь афинянам, поскольку они спешат на помощь спартанцам. Однако союзники Мардония проигнорировали речи Аристида и построились в боевой порядок. Поняв, что словами от них ничего не добьешься, стратег подал сигнал к атаке. Афинская фаланга пошла на врага.
Навстречу афинянам устремились фиванцы, беотийцы, воины из Фокиды, Фессалии и многих других областей, признавших власть персов. Но не все из них горели желанием сражаться за Ксеркса и его державу. Как только фаланги столкнулись, большая часть союзных персам эллинов стала отступать, а затем и вовсе рассеялась. До конца бились только фиванцы и беотийцы, у которых были личные счеты с афинянами. Взаимная ненависть была настолько велика, что битва достигла невиданного ожесточения. Изломав в яростных схватках копья, гоплиты с той и другой стороны рубили друг друга кривыми кописами, кололи короткими ксифосами, били краями окованных железом щитов. Во время этого побоища было убито 300 фиванских аристократов, и беотийцы, не выдержав вражеского натиска, стали отступать. Вскоре отступление персидских союзников превратилось в паническое бегство; кому повезло, добрались до Фив и укрылись за крепостными стенами. Одержав победу, Аристид повел воинов на помощь лакедемонянам, штурмующим персидский лагерь.