Gdy linia Ateńczyków była gotowa, według jednego ze źródeł, prosty sygnał do natarcia dał Miltiades: "Na nich". s191 Najprawdopodobniej maszerowali aż do granicy skuteczności łuczników, "strefy pobicia", (mniej więcej 200 metrów), a następnie zerwali się do biegu w kierunku przeciwnika. s66 Herodot sugeruje, że był to pierwszy raz, kiedy grecka armia wybiegła w ten sposób do bitwy; stało się tak prawdopodobnie dlatego, że po raz pierwszy grecka armia stanęła naprzeciw wroga złożonego głównie z oddziałów rakietowych (łuczników, miotaczy włóczni).
Wszystko to było najwyraźniej dużym zaskoczeniem dla Persów. Przechodząc przez grad strzał, chronieni w większości przez swoje zbroje, grecka linia w końcu zderzyła się z wrogą armią. Holland podaje sugestywny opis:
"Wróg stojący bezpośrednio na ich drodze... ku swemu przerażeniu zdał sobie sprawę, że [Ateńczycy], dalecy od zapewnienia łatwego łupu dla swych łuczników, jak to sobie wcześniej wyobrażali, nie zamierzali zostać zatrzymani... Uderzenie było druzgocące. Ateńczycy doskonalili swój styl walki w starciach z innymi falangami, drewniane tarcze rozbijały się o drewniane tarcze, żelazne groty włóczni uderzały o napierśniki z brązu... W tych pierwszych straszliwych sekundach zderzenia nie było nic poza miażdżącym trzaskiem metalu o ciało i kości; potem nastąpiło przetoczenie się ateńskiej fali po ludziach mających na sobie co najwyżej pikowane płaszcze dla ochrony i uzbrojonych, być może, jedynie w łuki lub proce. Popielate włócznie hoplitów, zamiast drżeć (...), mogły zamiast tego dźgać i dźgać ponownie, a ci z wrogów, którzy uniknęli ich przerażających ciosów, mogli łatwo zostać zmiażdżeni na śmierć pod samą masą nacierających ludzi z brązu. "194-197
Skrzydła ateńskie szybko rozgromiły słabsze perskie oddziały na flankach, po czym skierowały się do wewnątrz, by otoczyć perskie centrum, które odniosło większy sukces w walce z cienkim greckim centrum. Bitwa zakończyła się, gdy centrum perskie w panice ruszyło w kierunku swoich okrętów, ścigane przez Greków. Niektórzy, nieświadomi lokalnego terenu, pobiegli w kierunku bagien, gdzie nieznana liczba osób utonęła. p71 Ateńczycy ścigali Persów z powrotem do ich okrętów i udało im się zdobyć siedem statków, choć większość z nich była w stanie wystartować.
Herodot podaje, że na polu bitwy naliczono 6.400 ciał Persów. Nie wiadomo, ilu jeszcze zginęło na bagnach. Ateńczycy stracili 192 ludzi, a Platejczycy 11.