Przez około dwa tygodnie Grecy manewrowali po okolicy, unikając ataków silnej kawalerii perskiej. Pauzaniasz był bardzo sfrustrowany i próbował przygotować armię grecką do ataku. Próbował wykonać ruch w nocy, ale plan zakończył się całkowitym zamieszaniem. O świcie Grecy byli w połowie drogi do celu Plataea. Mardonios, wódz perski, wyczuł, że nadeszła chwila Persów i poprowadził atak. Ale Mardonios się pomylił. Chociaż Grecy trochę się podzielili, ich szkolenie hoplitów rozpoczęło się, gdy tylko zobaczyli, jak Persowie zaczynają atakować. Grecy przyjęli formację obronną, co ograniczało skuteczność ataku perskich łuczników. Kiedy dwie linie piechoty spotkały się, Persowie – pomimo przewagi liczebnej – nie mogli poradzić sobie z ciężko uzbrojonymi hoplitami. Powoli, ale pewnie Grecy zmusili Persów do odwrotu. Mardonios został zabity, a wkrótce potem Persowie załamali się, uciekając z pola. Gdy Persowie uciekli, Spartanie polowali i zabijali ich tysiącami. Grecy odnieśli niesamowite zwycięstwo z ogromnymi szansami, ale ich sukces był bardziej wynikiem szczęścia niż mądrego osądu. Pauzaniasz z pewnością nie miał zamiaru zabierać Greków do bitwy, kiedy skończą walkę, ale w ostatecznym rozrachunku liczy się wynik. Persowie zostali pokonani i uciekli i tym razem nie wrócili. Poeta Simonides zapisał epitafia, które Ateńczycy napisali do swoich zmarłych. O tym, co Grecy uważali za śmierć honorową, mówi wiele:
Jeśli szlachetne umieranie jest największą częścią męstwa, to nam ponad wszystkich innych dała to Fortuna. Bo po dążeniu do ukoronowania Grecji wolnością leżymy tutaj, ciesząc się pochwałą, która nigdy się nie starzeje.