60-тысячную персидскую армию возглавил один из лучших царских военачальников Датис. Царский флот после высадки войска стоял на якорях неподалёку от Марафона. Малые суда персидские мореходы, по традиции Древнего мира, вытащили на берег, чтобы обезопасить их на случай большого волнения моря и сильного ветра. Команды многих кораблей сошли на берег, чтобы после победного окончания битвы с греками принять участие в сборе военной добычи на поле брани.

Сражение персы начали как обычно — основу их построения составлял «победоносный» центр, которому предстояло расколоть на две части неприятельский строй. Мильтиад был хорошо знаком с военным искусством персов и рискнул изменить построение греческих боевых порядков, традиционных для того времени. Он стремился длинной фалангой тяжеловооружённой греческой пехоты охватить всю ширину Марафонской долины. Благодаря этому можно было избежать окружения, ведь персидский полководец имел лёгкую конницу, а Мильтиад нет. Фланги фаланги упирались в каменистые взгорья, через которые конница персов не могла пройти, особенно под обстрелом греческих лучников и пращников. На флангах были устроены засеки из срубленных деревьев.

Удлинив таким образом фалангу пеших воинов, Мильтиад сознательно ослабил её центр, усилив одновременно её фланги. Там встали отборные отряды афинских пеших воинов и немногочисленная конница греков.

Войско персидского царя и объединённое войско афинян и платейцев трое суток стояли на боевых позициях друг против друга. Мильтиад не начинал битву, потому что ждал обещанной помощи из Спарты. Персы тоже выжидали, они надеялись, что их хорошо видимое численное превосходство устрашит противника.

Персы первыми начали битву.