Но греки почувствовали свое превосходство. Несмотря на то что более малочисленная греческая армия начала чувствовать усталость, вид опустошения, которое они вносили в ряды врага, заставлял греческих воинов сражаться с еще большим ожесточением.
И вот, наконец, непобедимые ранее воины азиатского владыки показали свои спины и ударились в бегство. Греки преследовали их до побережья, где армия вторжения поспешно стала грузиться на корабли, чтобы спастись бегством. Вдохновленные успехом, греки напали на флот. «Огня! Огня!» – доносились крики. Афиняне попытались захватить корабли, но здесь персы сражались отчаянно. В бою за корабли греки понесли самые тяжелые потери. В том бою погиб храбрый полководец Каллимах, Стесилай и другие знатные граждане Афин. Среди погибших был и брат поэта-трагика Эсхила. Когда он взобрался на корму одной из триер, ему топором отрубили руку.
Греки захватили семь триер, но персам удалось спасти остальные корабли. Они бросились прочь от ставших для них проклятыми берегов. Но и здесь Датиса не покинул его талант полководца. Его флот обогнул западное побережье Аттики в надежде застать город врасплох и захватить его с помощью сообщников Гиппия. Однако Мильтиад смог разгадать этот маневр и отразить его. Оставив воинов Аристида на берегу, чтобы не допустить случаев мародерства и грабежей, Мильтиад ночным броском увел свои победоносные войска к Афинам. И когда утром персидские корабли обогнули мыс Сунион и направились в афинскую гавань, Датис увидел выстроившийся на высотах перед городом строй воинов, которые накануне обратили в бегство его армию. Надежды на покорение Европы пришлось на время оставить. Потерпевшая поражение армада повернула назад к берегам Азии.
Битва завершилась, но мертвые тела поверженных врагов еще не успели убрать, когда прибыло обещанное подкрепление из Спарты. Две тысячи спартанских копейщиков отправились в путь сразу же после наступления полнолуния. Они преодолели отделявшие Афины от Спарты 250 км в рекордное время, всего за три дня. Несмотря на то что им было уже поздно принять участие в битве и разделить славу победителей, спартанцы попросили у афинян разрешения отправиться на поле битвы и посмотреть на поверженных мидиян. Проделав этот марш и осмотрев мертвые тела захватчиков, они поблагодарили афинян за подвиг и вернулись в Спарту.
Число погибших иранских воинов (по греческим данным) составило 6400 человек. Афиняне потеряли 192 воина.
Такое кажущееся несоответствие в количестве убитых в двух противоборствующих армиях неудивительно. Следует учитывать, что греческая тяжелая пехота была облачена в защитные доспехи. В этом случае трудно нанести воинам тяжелый урон копьями и мечами, если только их строй не будет