Каллимах, увидев приближение катастрофы, бросился вперед, увлекая за собой гоплитов правого фланга. Перс акинаком отрубил полемарху наконечник копья, но Каллимах ударил противника древком в лицо, выхватил из ножен копис и врубился во вражеские ряды. Афиняне пошли вперед за своим бесстрашным командиром, и под этим неудержимым натиском персы гибли десятками. Греки напирали на них щитами, кололи копьями, рубили мечами и наконец обратили противника в бегство. На левом фланге платейцы также опрокинули азиатов и погнали их с поля боя. Мильтиад сорвал голос, чтобы остановить преследование и направить гоплитов против прорвавших центр персов. Услышав командующего, греки на левом фланге сделали поворот направо, сомкнули ряды и пошли в новую атаку. Увидев маневр Мильтиада, перестроил своих бойцов и Каллимах.
Битва достигла своего апогея, судьба сражения повисла на волоске. Саки и персы бились отчаянно, но, зажатые с двух сторон гоплитами, не выдержали вражеского напора и бросились к кораблям. Саки из панцирной кавалерии не могли бежать из-за своих сковывающих движение доспехов и были перебиты на месте. Теперь убегало с поля боя все персидское войско. Понимая, что врага надо добить, Мильтиад и Каллимах попытались организовать преследование разбитого противника. Но не получилось.
Тяжеловооруженные гоплиты, утомленные марш-броском и длительным боем, не могли угнаться за быстрыми на ногу персами. Когда эллины достигли берега, многие вражеские корабли уже успели отплыть. Но афиняне в азарте битвы ринулись захватывать те суда, которые все еще стояли у берега. Бой вспыхнул с новой силой. Сражались по колено в воде, на берегу, на кораблях. Брошенным с палубы копьем убили Каллимаха. Афинянин Кинегир схватился за корму отплывающего корабля и попытался его удержать, но персидский воин ударом секиры отсек ему руку. Эллин озверел, бросил щит и вцепился в корму левой рукой. Вновь свистнула, рассекая воздух, секира, и Кинегир, потеряв вторую руку, упал в покрасневшую от крови воду.
Греки с бою захватили семь кораблей, остальные сумели уплыть. Мильтиад поднял над головой шлем, приветствуя победителей, гоплиты в восторге от одержанной победы стали бить по щитам мечами и копьями. Марафонская равнина гудела от торжествующих криков, заглушая стоны раненых и умирающих. Было 12 сентября 490 года до нашей эры.
Мильтиад распорядился оказать помощь раненым соотечественникам, собрать тела павших эллинов и оценить размер захваченной добычи. Сам же собрал уцелевших стратегов и поделился с ними своими тревогами. Дело в том, что персидский флот уплыл не к Эвбее и не на восток, в сторону Малой Азии. Вражеские корабли ушли на юг, в направлении мыса Сунион, и этот факт вызывал у Мильтиада серьезные опасения. Обогнув Аттику, персидская армада могла доплыть до Фалеронской бухты, откуда Датис и Артафрен беспрепятственно поведут сухопутные войска на захват Афин. В этом случае город будет захвачен быстро, поскольку вся афинская армия находится у Марафона.
Военачальники согласились с доводами Мильтиада и решили немедленно вернуться в Афины. На поле боя остался стратег Аристид с воинами своей филы Антиохиды, ему было поручено охранять пленных и многочисленные трофеи, а также заботиться о раненых. Остальная армия построилась в походную колонну и выступила к Афинам.
Этот переход явился страшным испытанием для эллинов. Измученные сражением и преследованием разбитого врага, гоплиты в полном снаряжении маршировали через Аттику на пределе человеческих сил. Воины смертельно устали, но в сложившихся обстоятельствах у них не было иного выбора, кроме как идти вперед. Многие отставали в пути, однако основная масса войск продолжала поход. Когда армия вступила в Афины, гоплиты в буквальном смысле слова падали на землю от усталости. Но они успели. Когда персидские корабли появились у Фалерона, на берегу в боевом порядке стояла афинская армия.
Не исключено, что если бы Артафрен и Датис знали о том, в каком состоянии находятся греческие воины, то они бы попытались организовать высадку. Но им этого знать было не дано, поэтому, посовещавшись между собой, военачальники приказали разворачивать корабли и плыть к Эретрии. Попытка персов овладеть Афинами потерпела крах.
Разберем некоторые обстоятельства битвы и ее последствия. Прежде всего, обратим внимание на тот факт, что Мильтиад отказался от традиционного построения фаланги в восемь шеренг. Он несколько изменил обычный строй афинян: «