与此同时，波斯军队也迅速列阵。据近代西方军事历史学家考证，此战波斯军队大约2万5千人，其中包括2千骑兵。波斯中间阵营全部是重装步兵，两侧是弓箭手和重装步兵组成的混合方阵，骑兵布置在步兵阵线的侧后。此时双方阵线相距大约1千5百米（八斯塔迪昂），而波斯人身后1公里就是海岸。列阵完毕以后，双方对峙了很长时间，谁也不敢主动采取行动。由于马拉松平原越往东去越宽广，雅典军队如果主动进攻波斯阵营，两翼就会失去地形的保护。最后波斯人终于失去耐心，开始向雅典阵地前进。很快达提斯就发现马拉松平原变得越来越狭窄，波斯步兵阵线的两翼已经紧贴两边的沼泽地，骑兵部队被挤到阵线的后面。等到波斯军队前进到距离雅典阵线大约300米的时候，米提亚德立刻下令冲锋，雅典人立刻行动起来，飞也似地向波斯人攻去。

波斯人看到对方的兵力如此单薄，而且没有骑兵掩护，在他们看来简直就如同一群扑火的飞蛾在自取灭亡，不过这只是波斯人自己的看法而已。波斯人射出的箭雨如飞蝗一波接一波地落在高速奔驰的雅典方阵之上，但是由于其穿透能力不足，不能造成多大的伤害。几轮箭雨之后，雅典步兵就已经冲到近前。希腊方阵密集如林的长矛带着巨大的动能猛烈冲击波斯人的盾牌，在一片震耳欲聋的金属碰撞声中，两支军队搏杀到一起。

果然不出米提亚德所料，波斯人的两翼根本承受不住希腊密集阵的猛烈冲击。波斯方阵的队形比希腊方阵疏松许多，因为需要给轻装步兵足够的空间弯弓射箭。这样波斯前排每一个持盾的队长必须承受希腊两个纵列十六名步兵的合力冲击。波斯两侧的步兵防线顿时崩溃，前排的波斯队长们力战以后大部阵亡，而将他们身后的轻装步兵暴露在雅典人的长矛之前。那些轻步兵毫不畏惧地拔出弯刀上前格斗，但是他们显然缺乏必要的盔甲来保护身体，这样波斯步兵前仆后继浴血奋战，但始终无法靠近一步。波斯骑兵被隔离在自己阵线的后面，无法参战，只能徒劳地射箭。

两军在马拉松战斗了很长的一个时候。波斯军队的中央部分取得了优势，因为进攻这一部分的是波斯人自身和撒卡依人。他们攻破希腊人的防线，把希腊人追到内地去。但是在两翼地方，雅典人和普拉提亚人却得到了胜利。在这样的情势之下，他们只得让被他们打败的敌人逃走，而把两翼封合起来去对那些突破了中央防线的敌人。

波斯主帅达提斯看到大势已去，下令撤退。波斯士兵放弃阵地，拼命逃向海边的波斯战舰，雅典士兵在后面紧紧追赶，杀死了很多溃散中的波斯士兵。雅典人追到海边以后并没有停住，他们开始分散开来攻击停泊在岸边的波斯战舰，企图将其付之一炬，最终波斯人在损失七艘战舰以后，大部队得以安全撤退。此役波斯军队共阵亡六千四百人，而雅典方面仅仅阵亡一百九十二人（当然，我比较怀疑这种伤亡对比，因为此战非常惨烈，乃至雅典军政长官卡利马什，以及十位将军中的两位都壮烈牺牲，还有很多雅典知名人士都阵亡了，可以想见普通士兵的伤亡也低不到那里去了）。

马拉松战役的描写，古典史书上太过简略，近代西方军事历史学家通过考证后也有多种说法，本人是采取的比较可信的一种。波斯人的失败，究其原因，在于战场过于狭窄，波斯轻装部队和骑兵没有足够的战术回旋空间，另，其弓箭穿透能力不足也是重要因素。如果有足够的战术回旋空间，轻装步兵即使数量不多，也能给以缺乏远程武器掩护的重装步兵为主的部队造成严重的伤亡，我们不妨来看看《长征记》中的描写，《长征记》描写的是一万希腊雇佣军在波斯腹地逃回希腊的事件，他们在途中遇到很多次波斯轻装部队的袭击，为展示有足够的战术回旋空间时轻装部队对重装部队的优势，本人现摘录一处如下：“他们渡过扎帕塔斯河，按照事先商议的阵式，辎重驮兽和随营人员在方阵之内，启程上路。没走多远，弥特拉达特又出现了，带领约二百骑兵并有弓箭手和投石手——人马极为精壮灵活——大约有四百人。他朝着希军前来，好象很友好。但当人马来到近前，突然间骑兵、步兵一起开始射击、投掷。希军后卫伤情严重，却还击无力，因为克利特的弓兵射程较近，而且自己也没有甲胄，被围在重甲步兵队列之内；而希军投枪手打不了那么远，够不着敌军投石兵。于是，色诺芬下令追击波军。他们让保护后卫的重、轻步兵前去追赶，但是在追逐中他们没有能够捉住一个敌人，因为希军无骑兵。在短途中追不上敌军步兵，因为敌人逃跑时已与希军拉了一段很长的距离，他们又不可能离开希军主体走得太远去长途追击，另外，波军骑兵即使在逃跑中也能从马上向后射击。希军在追击中所前进的路程又不得不在战斗中退守。结果，整整一天时间他们走了不过二十五斯塔迪昂”。注意，这里波斯方只有400人，而希腊方则有数万人（重装步兵一万多只是战斗人数）。如果波斯人展开一万轻装部队，后果将是怎样呢？！

当然，既然要入侵希腊，波斯人就无法选择战场，但是如果他们大量增加他们的重装步兵，并保证他们训练有素的话，也是可以在战术上占优势的，因为他们在希腊作战的失败在于他们的重装步兵不能抵抗希腊人，从而不能让他们的轻装部队有力的发挥他们的火力。

达提斯撤离马拉松以后指挥船队折向西南，利用舰队的机动优势准备趁雅典军队大胜以后忙于庆祝的机会偷袭兵力空虚的雅典城。米提亚德早有所料，率领军队强行军连夜赶回雅典。当波斯舰队驶进雅典海港时，雅典军队已经严阵以待。达提斯见战机已逝，下令班师回国。他们把俘虏的爱勒多里亚人带回亚细亚，大流士曾对这些爱勒多里亚人非常愤恨，因为他们曾帮助伊奥尼亚人叛乱反对他，但是当他看到这些已屈服的爱勒多里亚人时，显示出了一个帝国君主难得的风度与宽容，他对他们不加伤害，反而把奇西亚领土的一块名叫阿尔代利卡的直辖地送给他们居住。第二次远征希腊，就此结束。