Όταν η αθηναϊκή γραμμή ήταν έτοιμη, σύμφωνα με μια πηγή, το απλό σήμα για την προέλαση δόθηκε από τον Μιλτιάδη: "Σε αυτούς".p191 Πιθανότατα, βάδισαν μέχρι να φτάσουν στο όριο της αποτελεσματικότητας των τοξοτών, τη "χτυπημένη ζώνη", (περίπου 200 μέτρα), και στη συνέχεια άρχισαν να τρέχουν προς τον εχθρό.p66 Ο Ηρόδοτος υποδηλώνει ότι αυτή ήταν η πρώτη φορά που ένας ελληνικός στρατός έτρεχε στη μάχη με αυτόν τον τρόπο- αυτό πιθανώς συνέβη επειδή ήταν η πρώτη φορά που ένας ελληνικός στρατός αντιμετώπιζε έναν εχθρό που αποτελούνταν κυρίως από πυραυλοφόρα στρατεύματα (τοξότες, ακοντιστές).
Όλα αυτά προκάλεσαν προφανώς μεγάλη έκπληξη στους Πέρσες. Περνώντας μέσα από το χαλάζι των βελών, προστατευμένη ως επί το πλείστον από την πανοπλία της, η ελληνική γραμμή συγκρούστηκε τελικά με τον εχθρικό στρατό. Ο Holland παρέχει μια υποβλητική περιγραφή:
"Ο εχθρός ακριβώς στο διάβα τους... συνειδητοποίησε με τρόμο ότι [οι Αθηναίοι], μακριά από το να αποτελούν εύκολη λεία για τους τοξότες τους, όπως είχαν αρχικά φανταστεί, δεν επρόκειτο να σταματήσουν... Ο αντίκτυπος ήταν καταστροφικός. Οι Αθηναίοι είχαν τελειοποιήσει τον τρόπο που πολεμούσαν στη μάχη με άλλες φάλαγγες, με ξύλινες ασπίδες να συντρίβονται πάνω σε ξύλινες ασπίδες, σιδερένιες αιχμές δόρατος να κροταλίζουν πάνω σε χάλκινους θώρακες... σε εκείνα τα πρώτα τρομερά δευτερόλεπτα της σύγκρουσης, δεν υπήρχε τίποτε άλλο παρά ένας κονιορτοποιημένος κρότος μετάλλων πάνω σε σάρκα και οστά- μετά η κύλιση της αθηναϊκής παλίρροιας πάνω σε άνδρες που φορούσαν, το πολύ-πολύ, καπιτονέ τζέρκινες για προστασία, και ήταν οπλισμένοι, ίσως, μόνο με τόξα ή σφεντόνες. Τα σταχτιά δόρατα των οπλιτών, αντί να τρέμουν... θα μπορούσαν αντίθετα να μαχαιρώνουν και να ξαναμαχαιρώνουν, και όσοι από τους εχθρούς απέφευγαν τα φοβερά τους μαχαιρώματα θα μπορούσαν εύκολα να συνθλιβούν μέχρι θανάτου κάτω από το καθαρό βάρος των προελαύνοντων χάλκινων ανδρών".194–197
Οι αθηναϊκές πτέρυγες κατατρόπωσαν γρήγορα τα κατώτερα περσικά στρατεύματα (στρατολογημένα στρατεύματα) στα πλάγια, προτού στραφούν προς τα μέσα για να περικυκλώσουν το περσικό κέντρο, το οποίο ήταν πιο επιτυχημένο απέναντι στο λεπτό ελληνικό κέντρο. Η μάχη έληξε όταν το περσικό κέντρο έσπασε πανικόβλητο προς τα πλοία του, καταδιωκόμενο από τους Έλληνες. Ορισμένοι, αγνοώντας το τοπικό έδαφος, έτρεξαν προς τους βάλτους, όπου άγνωστος αριθμός πνίγηκε.p71 Οι Αθηναίοι καταδίωξαν τους Πέρσες πίσω στα πλοία τους και κατάφεραν να αιχμαλωτίσουν επτά πλοία, αν και τα περισσότερα μπόρεσαν να αποπλεύσουν.
Ο Ηρόδοτος αναφέρει ότι στο πεδίο της μάχης καταμετρήθηκαν 6.400 πτώματα Περσών. Είναι άγνωστο πόσοι ακόμη πέθαναν στους βάλτους. Οι Αθηναίοι έχασαν 192 άνδρες και οι Πλαταιείς 11.