Η μάχη έγινε τον Αύγουστο ή τον Σεπτέμβριο του 490 π.Χ., μεταξύ των Αθηναίων και των Πλαταιών και των Περσών. Αν και η ακριβής ημερομηνία δεν έγινε γνωστή από τον Ηρόδοτο, απ’ όπου αντλούμε τις περισσότερες πληροφορίες, το 1855, ο Γερμανός φιλόλογος Φιλίπ Αουγκούστ Μπεκ, πρότεινε ως ημερομηνία της την 12η Σεπτεμβρίου. Από τότε η συγκεκριμένη ημερομηνία θεωρείται η επέτειος της μάχης.

Εκείνη την χρονιά, οι Πέρσες πραγματοποίησαν την δεύτερη εκστρατεία τους εναντίον την Ελλάδας. Αφορμή για την εκστρατεία ήταν η τιμωρία των Αθηναίων και των ερετριέων που είχαν βοηθήσει τους Ίωνες στην εξέγερσή τους εναντίον των Περσών. Στην πραγματικότητα, το σχέδιο του Δαρείου ήταν η επέκταση της αυτοκρατορίας του και η κατάληψη ολόκληρης της ελληνικής επικράτειας.

Οι Πέρσες πήραν ως σύμβουλο τον γιο του πρώην τύραννου της Αθήνας Πεισίστρατου, τον Ιππία. Ο περσικός στόλος πέρασε από την Σάμο και μέσα από τις Κυκλάδες για να φτάσει στην Ερέτρια. Μετά την κατάληψή της, έβαλαν πλώρη για την Αθήνα. Στόχος τους να υποτάξουν την πόλη και να διορίσουν τον Ιππία ως τύραννο. Από την Ερέτρια βρέθηκαν στον Μαραθώνα και στην παραλία του σημερινού Σχοινιά.

Οι Αθηναίοι ζήτησαν την βοήθεια των Σπαρτιατών. Εκείνοι δέχτηκαν, αλλά δεν έστειλαν εγκαίρως στρατιώτες., καθώς οι 2.000 άνδρες που υποσχέθηκαν έφτασαν στον Μαραθώνα μια μέρα μετά την μάχη. Υποστήριξαν πως επειδή γιόρταζαν τα Κάρνια, δεν μπορούσαν να εκστρατεύσουν πριν την πανσέληνο, όμως ο Πλάτωνας αναφέρει πως οι Σπαρτιάτες δίστασαν να κάνουν πράξη την υπόσχεσή τους, επειδή βρίσκονταν σε εμπόλεμη κατάσταση με τους είλωτες και τους Μεσσήνιους.

Οι Πλαταιείς έστειλαν 1.000 άνδρες. Οι Αθηναίοι στρατοπέδευσαν στο Ηράκλειο Μαραθώνα, απ’ όπου μπορούσαν να παρακολουθούν τις κινήσεις του εχθρού. Οι Αθηναίοι μαζί με τους Πλαταιείς έφταναν μετά βίας τους 11.000, ενώ οι Πέρσες είχαν τετραπλάσιο ή ακόμα και πενταπλάσιο στρατό. Οι περισσότεροι ήθελαν να περιμένουν τους Σπαρτιάτες, αλλά ο Μιλτιάδης τους έπεισε να επιτεθούν αμέσως κατά των Περσών.

Η επίθεση έγινε το πρωί. Οι Αθηναίοι παρατάχθηκαν σε ίδιο πλάτος με τους Πέρσες. Το αδύναμο σημείο των Ελλήνων βρισκόταν στο κέντρο, αφού τα άκρα τους ήταν εξαιρετικά ενισχυμένα. Όπως είχε ακριβώς σχεδιαστεί, το κέντρο μετά την σύγκρουση εξασθένισε, όμως τα άκρα αναπτύχθηκαν περίτεχνα και περικύκλωσαν τους Πέρσες. Οι περισσότεροι τράπηκαν σε φυγή. Στην συμπλοκή που ακολούθησε, καθώς οι Πέρσες έτρεχαν να ανέβουν στα πλοία ενώ οι Αθηναίοι να τα κάψουν, σκοτώθηκε ο πολέμαρχος Καλλιμαχος και ο Κυναίγειρος, αδελφός του τραγικού ποιητή Αισχύλου.

Ο τελευταίος έγινε παράδειγμα ανδρείας για τους επόμενους αιώνες. Την ώρα που οι Πέρσες προσπαθούσαν αν ξεφύγουν, ο Κυναίγειρος άρπαξε με τα δυο του χέρια το πλοίο για να το συγκρατήσει. Ένας Πέρσης του έκοψε το χέρι αλλά ο Κυναίγειρος χρησιμοποίησε το άλλο. Όταν ο Πέρσης του έκοψε και το δεύτερο, τότε κράτησε το πλοίο με τα δόντια του, μέχρι ο Πέρσης να του κόψει το κεφάλι.

Ο αγγελιοφόρος Φειδιππίδης ξεκίνησε πεζός από τον Μαραθώνα για να πάει τρέχοντας στην πόλη και να μεταφέρει την νίκη των Ελλήνων. Μόλις μπήκε στην πόλη φώναξε «Νενικήκαμεν», αλλά από την υπερπροσπάθεια δεν άντεξε και έπεσε νεκρός. Οι Αθηναίοι, σύμφωνα με τον Ηρόδοτο, έχασαν μόλις 192 άντρες στην μάχη και οι Πλαταιείς 11, ενώ οι Πέρσες έχασαν κάτι περισσότερο από 6.400 και 7 πλοία. Νεότερες εκτιμήσεις λένε πως οι νεκροί των Ελλήνων κυμάνθηκαν από 1.000 μέχρι 3.000, ενώ των Περσών από 4.000 μέχρι 5.000.

Μετά την ήττα, οι Πέρσες προσπάθησαν να φτάσουν στην Αθήνα και να την καταλάβουν. Ο Μιλτιάδης πρόλαβε και οδήγησε τον στρατό του γρήγορα πίσω, με τους Πέρσες να αποφασίζουν να τα παρατήσουν. Η μάχη του Μαραθώνα, είναι μαζί με εκείνη των Θερμοπυλών και την ναυμαχία της Σαλαμίνας, οι πιο γνωστές μάχες της αρχαιότητας.