Марафонская равнина была удобна для действий персидской конницы. Возможно, что высадиться здесь, посоветовал бывший афинский тиран, престарелый Гиппий, сопровождавший персов. Афиняне немедленно выступили навстречу и одновременно отправили в Спарту гонца с просьбой о помощи. Под предлогом того, что они по обычаю не могут выступить до полнолуния, спартанцы отсрочили свое выступление и явились в Афины уже после Марафонского сражения.
Первое столкновение с персидской армией, вторгшейся на территорию Балканской Греции, афинянам пришлось выдержать одним, к ним присоединился только небольшой отряд пограничного с Аттикой беотийского города Платеи. Контингенты десяти афинских фил возглавлялись стратегами, верховным командующим был архонт-полемарх Каллимах. Но решающую роль в организации и проведении Марафонской битвы сыграл занимавший должность стратега Мильтиад. Он долгое время жил под властью персов, участвовал в их походах и хорошо знал их военную организацию и тактику.
Несколько дней армии стояли друг против друга, не начиная сражения. Персы, возможно, выжидали сигнала своих сторонников в Афинах; афиняне ждали обещанных спартанских подкреплений. Сражение произошло в тот день, когда спартанцы вышли в путь. Персидское командование, рассчитывая застигнуть Афины врасплох и нанести решающий удар до прихода подкреплений, погрузило ночью значительную часть своей конницы на суда, с тем чтобы отправить их к Афинам. Греческому командованию стало известно об этом (через разведчиков или дезертировавших из персидской армии греков), и оно начало сражение в неблагоприятный для противника момент. В результате персидская конница, особенно опасная для греков, не приняла участия в битве. Учитывая численное превосходство персов, Мильтиад построил греческую армию таким образом, что значительно усилил фланги за счет центра. Легко прорвавшие греческий центр персы, вообразив, что одержали победу, бросились вглубь, к греческому лагерю. Но сомкнувшиеся за ними греки, стоявшие на флангах, стали избивать их, отрезав путь к отступлению.
Некоторым персам, бежавшим к побережью, удалось сесть на свои суда, другие погибли по пути в болоте. Афиняне захватили семь персидских судов и уничтожили их. Остальные суда персы вывели в море. По данным Геродота, в этой битве погибли 192 афинянина и 6400 персов
[48]. Имена павших афинян были перечислены на памятной стеле, но в список не были включены погибшие при Марафоне платейцы и рабы.Уцелевшая часть персов, сев на суда, двинулась на юг вокруг мыса Суний, рассчитывая на помощь своих сторонников в Афинах и на отсутствие афинской армии. Однако афиняне, совершив погребение павших, спешно двинулись в Афины. Персидский флот, войдя в гавань Фалер и убедившись, что Афины взять врасплох не удастся, ушел обратно.
Победа греков при Марафоне разгромом, а только неудавшейся возобновить. Но она имела огромное была для Персии не военным попыткой, которую можно было морально-политическое значение
для Греции, особенно для Афин. То, что нападение персов удалось отбить, разрушало легенду об их непобедимости и вселяло надежду на возможность эффективной борьбы с ними и в будущем, Марафонская победа создала предпосылки для будущего объединения греков, когда персидская угроза вновь стала реальностью. В честь победы у Марафона воздвигли памятник, на котором начертаны были надписи, славившие мужество павших, спасших ценой своей жизни свободу Эллады. Позднее в афинском Портике, так называемой Пестрой стое, знаменитый живописец Полигнот изобразил сцены Марафонского сражения. В общегреческие святилища — Олимпию и Дельфы — отправлены были дары из взятой добычи.
Политические осложнения в Египте, Вавилонии, интриги, связанные с престолонаследием, не позволили персидскому правительству добиваться немедленного реванша, и греки получили десятилетнюю отсрочку. Далеко не все, однако, понимали, что это только отсрочка. Вновь обострилась вражда между Афинами и Эгиной, политическая борьба продолжалась и внутри Афин.
Герой Марафона Мильтиад едва не поплатился жизнью за неудачную попытку подчинить о-в Парос, но все же были учтены его заслуги, и политические противники добились лишь присуждения Мильтиада к уплате огромного штрафа в 505 талантов. Мильтиад вскоре умер, а штраф был выплачен его сыном Кимоном. Обострение внутриполитической борьбы в Афинах нашло свое выражение и в том. что с 487 г. до н.э. все чаще стали прибегать к остракизму, преимущественно, однако, противников активной внешней политики. На политической арене выдвигается один из самых ярких и талантливых деятелей Афин — Фемистокл.