После этой атаки персов произошло то, чего Датис никак не ожидал. Крылья греческой фаланги удлинились, и оба фланга греков нанесли сильные удары по атакующим и отбросили их назад. В результате обнажились фланги «победоносного» центра, который оказался в полукольце и был наголову разгромлен. Датис, как ни пытался, не смог восстановить порядок в своих войсках. Да и к тому же он не имел большого резерва, чтобы направить его на помощь избиваемым греками царским воинам в самом центре Марафонской долины.
Персидское войско охватила паника, и оно устремилось к морскому берегу, к своим кораблям. По приказу Мильтиада греки, восстановив монолитность своей фаланги, начали преследовать бегущего противника.
Персам удалось добежать до близкого берега и спустить на воду суда. Они на всех парусах и вёслах пустились прочь от берега, спасаясь от греческих лучников.
В Марафонской битве персидское войско подверглось полному разгрому и потеряло только убитыми 6400 человек, не считая пленных и раненых, которых на ушедших на восток кораблях царского флота насчитывалась не одна тысяча. В день 13 сентября 490 года до н.э. афиняне потеряли всего 192 своих воина.
Эта победа вдохновила другие греческие города-государства на сопротивление господству Персии.
Царь Дарий I прославился как крупный государственный деятель, политик и военный реформатор. При нём огромное Персидское государство было разделено на сатрапии — административно-податные округа. Во главе их стояли царские наместники — сатрапы, которые одновременно являлись военачальниками тех военных сил, которые находились на территории сатрапий. Среди прочего, в их обязанности входила охрана государственных границ от разбойных нападений соседей, прежде всего кочевых племён, ведение военной разведки и обеспечение безопасности на путях сообщений.