Перед боем Мильтиад построил греческую фалангу при входе в Марафонскую долину. На правом фланге находились лучшие афинские гоплиты, левее выстроились остальные воины по филам; левый фланг составил отряд платеян. Правым крылом предводительствовал Каллемарх, левым флангом командовал храбрый Аемнест.

Вследствие численного превосходства персов и значительной ширины долины Мильтиад не мог дать своей фаланге необходимой глубины. Кроме того, он 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.

Чтобы не дать персидской коннице времени атаковать греков на равнине и чтобы вслед за стрельбой из луков непосредственно перейти к рукопашному бою, Мильтиад двинулся с высот на неприятеля «беглым маршем». «Беглый марш» позволял быстро преодолевать поражаемое стрелами пространство и морально действовал на противника.

Выдержав первый натиск, персидские лучники контратаковали греков, прорвали слабый центр афинской фаланги и преследовали афинян в глубь долины. Но сильные фланги греческой фаланги опрокинули персидскую конницу, которой не удалось прорвать здесь ряды афинян, и пошли против персидского центра, спеша на помощь своим стесненным товарищам. Следствием этой атаки стало поражение персидских лучников. Окруженные со всех сторон, персы обратились в бегство.

Афиняне завладели семью кораблями. На остальных кораблях персы отплыли в море, стремясь достичь Афин раньше, чем это сделает греческое войско. Афиняне также устремились в город и, опередив противника, достигли его раньше, чем персидское войско. Мильтиад расположил свое войско на восточной стороне Афин. Персы, подойдя на своих кораблях к Фалеру (Фалер был тогда гаванью афинян) и увидев, что афинское войско стоит у города и готово к битве, не отважились высадиться. Персидский флот повернул назад и поплыл обратно в Азию.

В бою греки потеряли 192 человека, персы — 6 400 человек.

В Марафонской битве греки дали первый отпор персам. Этот бой показал, что тяжеловооруженной, хорошо обученной пехоте не страшна иррегулярная конница. На месте сражения на Марафонском поле, рядом с братской могилой воинов, павших за родину, был воздвигнут памятник в честь вождя греков Мильтиада. Сцены из марафонской битвы были изображены в одном из портиков, находившихся на главной площади Афин.

В сознании последующих поколений греков марафонская победа запечатлелась как победа эллинской свободы над восточным деспотизмом, как победа сознательного гражданина-патриота над верноподданным рабом персидского самодержца.

В ожесточенном сражении под Марафоном в сентябре 490 года греческие гоплиты, защищавшие свои семьи и свою свободу, разбили превосходящего по численности врага. Уцелевшие и бежавшие с поля боя персы вынуждены были вернуться в Азию.

Через десять лет после этого события персы начали третью военную кампанию против греков, которая растянулась на несколько десятилетий. Афинский полис в это время раздирала политическая борьба двух общественных группировок — демократической, состоявшей, в основном, из торгово-ремесленных кругов, и аристократической, опиравшейся на крупных и средних землевладельцев. Борьба эта приняла особенно острый и непримиримый характер, когда встал вопрос о том, каким образом готовиться к новой, всеми ожидаемой войне с персами.

Лидер аристократов-землевладельцев Аристид был сторонником укрепления сухопутной армии. Он считал, что основные усилия нужно направить на создание сухопутных укреплений и оборону внутренних территорий. Не отрицая эти разумные предложения, лидер демократической партии Фемистокл, вошедший в историю как один из крупнейших политических деятелей Древней Греции, отличавшийся дальновидностью и умением правильно ориентироваться в сложной обстановке, настаивал на том, что первоочередной задачей является создание мощного военно-морского флота и укрепление побережья Аттики.

Борьба этих двух течений и их лидеров кончилась победой Фемистокла, а Аристида в 483 году подвергли остракизму и отправили в изгнание. Возглавив оборону Афин, Фемистокл добился того, что доходы со знаменитых Лаврийских серебряных рудников, распределявшиеся ранее среди граждан Афинского полиса, были направлены на строительство флота. За два следующих года афинский флот увеличился на 100 боевых триер, достигнув 180 единиц. В 481 году по инициативе Афин был образован военно-оборонительный союз греческих полисов, во главе которого встал спартанский главнокомандующий.

Начавшиеся военные действия не позволили Фемистоклу полностью выполнить свою т. н. морскую программу. В 480 году огромная персидская армия, насчитывавшая более 100 тысяч человек и возглавляемая самим персидским царем Ксерксом, переправилась из Малой Азии через пролив Геллеспонт на фракийское побережье Балканского полуострова и двинулась на юг к центру Греции. Чтобы облегчить снабжение армии и разбить греков на море, войска сопровождал большой галерный флот.

Попытка греков во главе со спартанским царем Леонидром сдерживать персов в Фермопильском ущелье, не дав им прорваться в Грецию, закончилась неудачей. Прорыв персов привел к тому, что греческий флот, встретивший персов у мыса Артемизия и вступивший с ними в бой, вынужден был отступить на юг к берегам Аттики.

Очутившись в центральной Греции, персы вторглись в Аттику и в начале сентября 480 года захватили и разрушили Афины. Предвидя такое развитие событий, греческие полководцы незадолго до этого приказали эвакуировать гражданское население Афин на остров Саламин и на Пелопоннес. Туда же отступила и греческая армия. Союзный греческий флот, насчитывавший около 380 триер, укрылся у западного побережья Аттики в узком и извилистом, заполненном подводными камнями Саламинском проливе, разделяющем остров и материк.