米提亚德由于众望所归，被推选为战役总指挥。正当雅典军队准备下山列阵时，一支援军出人意料地到达了。这支援军来自希腊小国普拉提亚(Plataea )，多年前雅典曾经帮助他们打退了邻国的侵略，普拉提亚对雅典感恩戴德，这次得知雅典有难，立刻发举国之兵来援。虽然普拉提亚援军只有一千人，但极大地鼓舞了雅典人的士气。为了使雅典的阵线不被波斯骑兵从两翼迂回，米提亚德决定不惜削弱中央方阵的力量，将雅典阵线向两侧延伸，使两边的泥沼地成为天然屏障。这样重新部署以后，雅典的步兵方阵在中央只有四行纵深，而两翼仍然保持八行的厚度。雅典步兵列阵完毕以后，米提亚德立刻下令冲锋，这时雅典军队距离波斯阵线大约有1500米。通常希腊密集方阵先是稳步前进到敌军弓箭射程以内，然后开始高速冲向敌阵。为了不给波斯军队足够的时间组织和调度，米提亚德一开始就命令士兵跑步前进，然后逐渐加快速度，距敌三百米时全速冲刺。希腊步兵表现出极高的训练水平，他们背负着沉重的武器装备，一路狂奔，而阵形丝毫不乱。
波斯人看到兵力悬殊，且没有骑兵掩护的雅典步兵远远地冲了过来，就好象是看着一群扑火的飞蛾在自取灭亡。波斯步兵严阵以待，等到雅典人冲到三百米距离时，开始弓箭齐射。波斯人射出的箭密如飞蝗一波接一波地落在高速奔跑雅典方阵之上，如同雨打芭蕉一般在雅典步兵的盔甲和盾牌上纷纷弹开，不能造成任何伤害。没等波斯人放出几轮弓箭，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，波斯人两翼的盾牌防线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，为的是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。波斯的盾牌防线在如此猛烈的撞击下顿时崩溃，很多人被希腊长矛连人带盾刺穿。前排的波斯队长们力战以后全部阵亡，而将他们身后的轻装步兵暴露在雅典人的长矛之前。失去盾牌保护的波斯步兵们毫不畏惧地拔出弯刀上前格斗，他们三五成群，拼命用弯刀拨开雅典人的长矛，企图靠近肉搏;与此同时，他们后面的步兵仍然在坚持不懈地放箭。但雅典人的密集阵前四排的长矛重叠向前，波斯人即使能拨开第一排长矛，也很难躲过接踵而来的后三排长矛的攒刺。这样波斯步兵前仆后继浴血奋战，但始终无法靠近一步。
波斯骑兵本想迂回到雅典阵线后面，但雅典方阵的两翼几乎是紧贴着平原两边的泥沼地，波斯骑兵根本没有机动的空间。无奈之下，他们只好以紧密队形冲击雅典人的方阵，但由于缺乏盔甲保护，结果也是纷纷倒在雅典方阵的矛下。面对雅典人无坚不摧的凌厉攻势，波斯士兵的战斗意志开始动摇。波斯阵线中央是由身经百战的波斯老兵组成，战斗力相当强劲，而攻击他们的雅典中央方阵又只有四行纵列，冲击力不足，战局在这里胶着起来。波斯步兵一度突破了雅典人的阵线，迫使雅典的中央方阵集体后撤以保持完整队形。但是波斯的两翼此时已呈溃逃之势，雅典的两翼开始向中央包抄过来，夹击波斯的中央方阵，而后退的雅典中央方阵也乘机杀了回来。会战到这个时候波斯军队败局已定。
波斯主帅达提斯(Datis )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，将许多腿脚不够快的波斯兵刺个透心凉。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。波斯士兵在逃生欲望的驱使下拼命反抗，而雅典人本次战役的伤亡大多发生在这里，包括雅典军政长官卡利马什，以及十位将军中的两位都在此牺牲。最终波斯人在损失七艘战舰以后，大部队得以安全撤退。斯巴达的两千援军一直到战役结束以后才到达，他们列队在战场绕行一周，观看雅典的战果，战场上波斯人尸横遍野让斯巴达战士们惊叹不已。所谓患难见真情，普拉提亚人在危急关头前来援助，赢得了雅典人的敬重。战役以后雅典授予所有普拉提亚人雅典公民资格，普拉提亚从此正式成为雅典大家庭的一员。
马拉松之战对希腊人来说无疑是改变命运的一战。两千四百多年以后中国的一位巨人(其实那个人是毛泽东)气冲霄汉地宣告：“帝国主义都是纸老虎。”而希腊人通过马拉松之战对此有了深切的体会。一个民族的自信心一向都是打出来的，希腊人在马拉松战役中收获了前所未有的自信，而民族自豪感和文化优越感也开始无比高涨。马拉松之战以后，雅典在希腊半岛威名远扬，成为希腊联盟的盟主。
对波斯帝国来说，马拉松之败只不过是一个微不足道的挫折，几乎没有在波斯人的历史上留下丝毫痕迹。十年以后，新即位的波斯王薛西斯(Xerxes)率领百万大军又卷土重来。薛西斯对马拉松之战已经没有什么印象，更不用说吸取任何教训。在以后的一系列战役里，波斯军队要在希腊密集阵前撞得头破血流，丧师数十万才善罢甘休。
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