Речь Леотихида необычайно ободрила эллинов. Они знали, что с конца августа идет противостояние Павсания и Мардония на поле боя, и на равнинах Беотии решается судьба Эллады. Воины и моряки переживали за свои семьи, оставленные в Греции. Теперь же, когда противник был разбит и в спешке покидал страну, воины были полны решимости пойти вперед и добить ненавистного врага в его логове. О том, что пущенный Леотихидом слух достиг вражеской армии, свидетельствует следующий факт. Персидское командование было вынуждено принять ответные меры и объявить воинам о том, что сам царь Ксеркс с большим войском спешит к ним на помощь (Diod. XI, 35). На этом пропагандистская война закончилась, и противники перешли непосредственно к боевым действиям.
Воодушевленные словами Леотихида, эллины пошли в атаку. Наступление греков развивалось вдоль прибрежной полосы по ровной местности, что способствовало быстрому продвижению строя фаланги. Персы установили перед строем большие плетеные щиты, укрылись за этим импровизированным укреплением и открыли стрельбу из луков. Плотно сдвинув щиты, гоплиты ускорили шаг, а когда до вражеских рядов осталось совсем немного, перешли на бег. Упорный бой разгорелся около поставленных в линию плетеных щитов.
Укрываясь за этим импровизированным укреплением, воины Тиграна храбро бились с греками, но эллины пронзали плетенки насквозь ударами копий и опрокидывали их на землю вместе с персами. Сражение разлилось от берега до предгорий Микале, гоплиты пытались сбить с позиций вражескую пехоту и постепенно усиливали натиск. Но персидские военачальники внимательно наблюдали за сражением и вовремя реагировали на изменение ситуации, посылая резервы на наиболее опасные участки фронта. Бой шел с переменным успехом, но постепенно эллины стали одолевать. Подбадривая друг друга громкими криками, союзники пошли вперед и разметали укрепление из щитов. Но персидские полководцы лично бросились в бой, сплотили воинов и повели их на врага. Битва продолжалась, и когда был убит Тигран, персы снова подались назад. Мардонт решил отвести своих людей в укрепленный лагерь, но отступление неожиданно превратилось в бегство. Ксантипп мгновенно оценил ситуацию и понял, что ему выпал уникальный шанс одержать победу без помощи спартанцев. Потрясая копьем, стратег устремился вперед, увлекая за собой афинских гоплитов и союзников.
В воротах лагеря произошла давка, поскольку они оказались слишком узки для того количества беглецов. Мардонт попытался навести в этой толпе порядок, но его сбили с ног и затоптали. А затем подоспели греки…
Пока афиняне резали в воротах вражескую пехоту, коринфяне, трезенцы и сикионцы разворотили частокол, перебрались через вал и ворвались в лагерь. Враг оказал ожесточенное сопротивление, в рукопашной схватке погиб стратег сикионцев Перилай. Лишенные оружия самосцы увидели, что эллины ворвались в лагерь, схватили палки, камни, железные вертела и бросились на персов с тыла. Их примеру последовали и остальные ионийцы, обратившие оружие против азиатов.
И в этот момент появились спартанцы. Продравшись по склонам Микале через лес и густые заросли, они спустились к берегу, прорвались через укрепление и напали на вражеские отряды внутри лагеря людей. Кто-то поджег вражеский корабль, следом полыхнуло еще несколько судов, и теперь едкий черный дым медленно расползался по лагерю, постепенно заволакивая побережье. Понимая, что все пропало, Ифамитр и Артаинт вскочили на коней и умчались в сторону Приены. Следом за ними последовала остальная армия. И только персы сражались до конца. Они были хорошими воинами и дорого продавали свою жизнь. Но силы были уже неравны, эллины наступали со всех сторон, и вскоре последние группы защитников лагеря были уничтожены.
Судьба беглецов также была трагична. Рассыпавшись по окрестностям, они выходили на отряды милетян, охранявших по приказу Мардонта ущелья на Микале. Увидев бегущих воинов, греки быстро сообразили, чем закончилась битва, и поняли, что их час настал. Некоторые из азиатских отрядов милетяне повели такими тропами, что опять вывели на побережье, под удар армии союзников. Там их все и уничтожили. А затем ионийцы и вовсе стали нападать из засад на разбегающееся воинство, убивая всех, кто подворачивался под руку. Битва перешла в бойню, продолжавшуюся до самого вечера.
Вдоль берега ярко пылали персидские корабли, гоплиты занимались грабежом персидского лагеря, а Ксантипп и Леотихид держали совет о том, что делать дальше. Перебрав различные варианты, решили продолжать путь на Самос. К этому времени огромное количество трофеев, в том числе и ящики с войсковой казной персов, были свалены на берегу. Леотихид приказал загрузить захваченную добычу на корабли, а затем разрушить укрепления персов и предать их огню. Уже смеркалось, когда греческий флот отошел от берега. Но еще долго было видно в темноте, как за кормой триер полыхает огромное зарево, знаменующее военное поражение державы Ахеменидов.