La bataille de marathon suite
Au contraire l'armement des Grecs est celui d'une infanterie lourde, les hoplites, protégés par un casque, un bouclier, une cuirasse, des jambières et des brassards en airain. S'y ajoutent une épée, une longue lance et un bouclier de peau et de lames de métal. Enfin les hoplites combattent en rangs serrés (phalange) leurs boucliers formant devant eux une muraille. Miltiade décide Callimaque le Polémarque d'étendre la ligne des soldats grecs, afin de ne pas être submergé par le nombre, et de renforcer les ailes au détriment du centre. En effet les Perses disposent leurs meilleures troupes au centre et il s'agit donc de les envelopper.
Les Athéniens chargent donc dès qu'ils arrivent à portée de flèche. Il est en effet improbable, au vu de la lourdeur de l'équipement des hoplites, que ceux-ci effectuent une charge de plus de 1500 mètres comme l'affirment les historiens de l'époque. Comme prévu les ailes de l'armée perse, composées de troupes éparses levées dans l'empire ou d'Ioniens peu motivés, se débandent et remontent dans la panique à bord des navires. Mais le centre des Grecs est enfoncé et cède. Les troupes grecques disposées sur les ailes renoncent à poursuivre les troupes perses en déroute et se rabattent sur le centre de l'armée perse en une parfaite manœuvre de tenaille. Celui-ci s'effondre à son tour.
Au total environ 6400 Perses sont tués, la plupart noyés en s'enfuyant, et sept navires sont détruits, tandis que les Athéniens perdent environ 200 citoyens. Une telle différence n'a rien d'extraordinaire, même si le chiffre des pertes perses est sans doute exagéré. En effet on constate fréquemment un ratio de un tué chez les Grecs à 20 ou 30 pour les armées orientales dans les diverses batailles les opposant aux peuples d'Asie.
Mais il est nécessaire de prévenir la seconde offensive des Perses avec l'attaque des meilleurs éléments de leur armée qui avaient rembarqué avant la bataille de Marathon. La flotte perse a besoin d'une dizaine d'heures pour doubler le cap Sounion et atteindre Phalère. Par une marche forcée de sept ou huit heures, avec une bataille dans les jambes, les hoplites grecs arrivent environ une heure avant la flotte ennemie. Les Perses voyant l'échec de la manœuvre renoncent à débarquer. Ainsi s'achève la première guerre médique. Cette victoire stratégique devint symbolique pour les Grecs et conféra un grand prestige à Athènes. En fait pour les Perses il s'agit surtout d'un débarquement manqué et d'un échec mineur. Leur expédition a réussi à soumettre toutes les îles, en tout cas un grand nombre, de la mer Egée au pouvoir de Darius Ier.
Selon certains historiens (qu'Hérodote récuse), c'est à cette occasion que Phidippidès (ou Philippidès) aurait couru la distance qui deviendra celle du marathon. Cela dit, que l'épisode de Philippidès soit véridique ou pas, l'exploit sportif ici est collectif avec la marche forcée des hoplites athéniens afin d'empêcher le débarquement perse à Phalère.
La réaction de Darius à cette défaite est d'emblée de préparer sa revanche et une nouvelle expédition. Il est impossible au souverain d'un tel empire de demeurer sur une défaite. Mais une révolte éclate alors en Égypte, dirigée par le satrape Aryandès et occupe les derniers mois de Darius. Celui-ci meurt en -486 et lui succède son fils Xerxès Ier.