Во главе мощного персидского флота и сухопутных сил, почти не знавших поражений, был поставлен талантливый полководец Мардоний, родственник царя. Переправившись через Геллеспонт, сухопутные силы персидского царя двинулись в Македонию и Фракию, восстанавливая там власть персидских наместников, пошатнувшуюся в период восстания ионийских городов. Одновременно персидский флот блокировал все северное побережье Эгейского моря. Мардоний, выполняя стратегические замыслы Дария I, планировал нанести свой главный удар в Средней Греции, чтобы при удачном ходе боевых действий захватить Афины. Характерно, что всем этим действиям предшествовали меры по укреплению тыла персидской армии: по распоряжению Мардония многие тираны малоазийских городов, которые запятнали себя в глазах их греческого населения своим сотрудничеством с персами, были смещены, и с согласия персидских властей городам был возвращен полисный статус. По, находясь в глубоком тылу и под потенциальной угрозой лишения полисной автономии, малоазийские греки едва ли могли оказать реальную помощь грекам Балканского полуострова.
Персам удалось подчинить себе многие прибрежные города Балканского полуострова, южные фракийские племена, остров Фасос. Македонский царь подчинился Мардонию. Путь в Среднюю Грецию был открыт. Но случилось непредвиденное: сильнейшая буря, разыгравшаяся у мыса Афон на Халкидонском полуострове, уничтожила персидский флот. Примерно 300 кораблей затонуло, при этом погибло почти 20 тыс. персидских воинов. Персам пришлось отступить. Флот был потерян, а оставшаяся в живых часть сухопутного войска уже не могла рассчитывать на дальнейшее продвижение в Среднюю Грецию, так как с трудом справлялась с задачей удержания контроля над уже завоеванными территориями Северной Греции. Остатки армии, за исключением незначительных отрядов, оставленных в гарнизонах, были эвакуированы в Малую Азию. На этом этапе, таким образом, реальных непосредственных столкновений персов и греков пока не произошло.
Отстранив от командования Мардония, обвиненного во всех неудачах первого похода на Грецию, персидский царь начал подготовку новой завоевательной экспедиции. Была сформирована мощная армия вторжения, состоявшая из 20 тыс. воинов, построен новый флот. Во главе армии и флота были поставлены опытные военачальники Датис и Артаферн. Серьезность намерений Дария I подчеркивает тот факт, что в качестве советника при персидских полководцах был послан Гиппий, бывший Писистратид, изгнанный из Афин и нашедший себе пристанище при персидском дворе. Гиппий хорошо знал все местные условия и имел среди афинян своих тайных сторонников. Учтя опыт прежних неудач, Дарий I и его полководцы решили переправить войско на кораблях через Эгейское море непосредственно на материк, в Среднюю Грецию. Попутно был захвачен ряд островов Эгейского моря.
Высадившись на острове Эвбея, персы разорили город Эретрею, граждане которого вместе с афинянами в свое время оказали помощь восставшим малоазийским полисам. Храмы эллинским богам были разграблены, город сожжен, уцелевшие жители проданы в рабство. Это была показательная акция устрашения для афинян. Так был создан удобный плацдарм для подготовки к вторжению на полуостров, тем более что путь к Афинам был открыт. Персидская армия переправилась на кораблях к северному побережью Аттики и высадилась на равнине у местечка Марафон, расположенного примерно в 40 км от Афин.
Афиняне тем временем спешно собирали ополчение, которое возглавил Мильтиад, известный полководец и политический деятель. В 490 г. до н. э. афиняне избрали его одним из своих стратегов, хотя фактически Мильтиад являлся главнокомандующим афинским ополчением. Численно оно уступало персидскому войску. Из союзников к нему присоединились лишь гоплиты из беотийского города Платеи. Спартанцы, признанные в эллинском мире авторитеты в любых сражениях, в ответ на просьбу афинян о помощи не спешили ее оказать.
Зная тактику персидских военачальников, систему построения их войск на поле боя и прекрасно сознавая, что греки значительно уступают персам, Мильтиад так выстроил оборону афинского ополчения, что персы, не разобрав его тактической хитрости, вскоре оказались в сложном положении. Дело в том, что он значительно растянул линию фронта своего ополчения, ослабив центр, но усилив фланги. К тому же афинским гоплитам был дан приказ идти на сближение с противником беглым маршем, для того чтобы вражеские лучники были лишены возможности нанести им значительный урон. Персы же оставили свои лучшие подразделения в центре, в надежде на то, что именно здесь, а не на флангах им будет сопутствовать успех.