Вследствие численного превосходства персов и значительной ширины долины Мильтиад не мог дать своей фаланге необходимой глубины. Кроме того, Мильтиад учитывал возможность охвата своих флангов персидской конницей. Поэтому он уменьшил количество шеренг в центре и соответственно увеличил число шеренг на флангах. Общее протяжение фронта достигало примерно 1 км.
Боевой порядок персов состоял из пеших лучников, располагавшихся в центре, и конницы, строившейся на флангах. Так, надо полагать, их войско было выстроено и на Марафонской долине.
Первый этап боя - атака греков, контратака персов и прорыв персами центра греческой фаланги.
По словам Геродота, греческая фаланга "беглым маршем" двинулась против персов. Дистанция, по его утверждению, была "не меньше восьми стадий". Юстин же называет вероятную цифру в 1000 шагов (около 700-800 м). "Беглый марш" увеличивал силу удара, позволял быстро преодолевать поражаемое стрелами пространство и морально действовал на противника.
Персидские лучники контратаковали греков, прорвали слабый центр афинской фаланги и преследовали афинян вглубь долины. Но сильные фланги греческой фаланги опрокинули персидскую конницу, которой не удалось здесь прорвать ряды афинян. Греки не преследовали разбитую конницу персов.
Второй этап боя - атака греками персидских лучников, прорвавших фалангу на первом этапе боя, и преследование разбитых персов.
После поражения персидской конницы Мильтиад приказал крыльям фаланги сомкнуться и атаковать ту часть персидского войска, которая прорвала центр греческой фаланги. Следствием этой атаки было поражение персидских лучников. Афиняне преследовали противника на дистанции 1-1,5 км, т. е. до того места, где они после боя похоронили своих павших воинов и насылали могильный холм (Сорос). Отсюда греческая фаланга вновь начала движение к персидскому лагерю, Но время уже было упущено. Большинство персов успело сесть на корабли и уйти в море. Греки захватили лишь 7 триер. В этом бою греки потеряли 192 человека убитыми. Потери персов, по словам Геродота, были около 6400 человек.
В марафонском бою греки дали первый отпор персам. Эта победа имела важные политические последствия: сплочение в Афинах демократических сил, укрепление политического и военного союза греческих полисов, ослабление деятельности реакционных сил. Победа показала всем грекам возможность успешной борьбы с персидской деспотией. В то же время поражение персидской армии произвело сильное впечатление на весь Восток: в персидской деспотии усилились восстания порабощенных племен и народностей; персидское правительство вынуждено было перенести центр тяжести своей деятельности на борьбу с этими восстаниями.
В решительном бою с персидской деспотией победила греческая армия, показавшая превосходство своей военной организации. Это произошло прежде всего потому, что персидские воины сражались за чуждые им интересы, а греческие гоплиты защищали свои полисы, свою независимость. На стороне "греков было и моральное превосходство, что имело решающее значение. Успех в ходе боя вселил в греческих воинов уверенность и в военно-техническом превосходстве над противником, что еще более увеличило их моральную стойкость.
В Марафонской долине столкнулись две различные армии. В персидской армии имелись лишь зачатки организации и совершенно отсутствовали боевая подготовка и определенный боевой порядок. У греков же была организованная, дисциплинированная и обученная армия, боевым порядком которой являлась фаланга. В бою выявилась сила военной организации и воинской дисциплины. Преимущество ведения боя в определенном боевом порядке сознавали и сами греки. "Без тактического порядка, - писал Аристотель, - тяжело вооруженная пехота ни к чему не пригодна". Греческая армия доказала необходимость создания боевого порядка, основой которого является военная организация и воинская дисциплина.
В бою при Марафоне сражались легко вооруженные стрелки и иррегулярная конница персов с тяжело вооруженной пехотой греков, проходившей регулярное обучение и сражавшейся в строю. Луку противостояло копье, против иррегулярной конницы наступала греческая фаланга. Победили тяжело вооруженные и хорошо обученные греческие пехотинцы.
Применяя новые приемы боя, греки достигли внезапности: их атака морально ошеломила персов. Греки разбили превосходящие силы персов. Это в значительной мере явилось следствием преимуществ военной организации греков.
Марафонский бой показал, что хорошей пехоте иррегулярная конница не страшна. Стойкая, хорошо дисциплинированная пехота, сражавшаяся в строю, не только отразила атаки иррегулярной конницы, но и одержала над ней победу.
Мильтиад в этом бою проявил необходимые для полководца того времени личные качества. Он правильно выбрал место для построения фаланги, усилил фланги, определил способ атаки и. лично управлял действиями фаланги в бою. Отсутствие непрерывного преследования, позволившее персам сесть на корабли, объяснялось тем, что фаланга была неспособна к преследованию.