Тисамен предсказал победу грекам, если те будут придерживаться оборонительной тактики и не перейдут реки Азоп. Прорицатель Мардония также предостерегал персов от переправы через реку. (Дельбрюк Г. История военного искусства. Т.1. СПб., 1993. С. 95.)

Чтобы вынудить Мардония к наступлению, Павсаний выдвинулся на высоту к самой речке Азоп. На правом фланге стояли спартанцы, на левом — афиняне, в центре — отряды остальных греческих полисов. Войска Мардония расположились следующим образом: на правом фланге против афинян находились отряды греков, в центре — мидяне и бактряне, на левом фланге против спартанцев — персы, которые превосходили спартанцев по численности, причем были отобраны самые рослые и сильные воины. Тем не менее, ни одна из сторон не решалась наступать.

По приказу Мардония персы отрезали пути подвоза продовольствия для греков и засыпали ручей Гаргафию, из которого греческое войско получало воду. Павсаний решил отступить к Платеям, чтобы занять более выгодную позицию. Но отступать на виду у противника было опасно. Тогда решили отступать ночью, разделив войско на три колонны. Спартанцы должны были оставаться на месте до последнего момента.

В ночь на 29 сентября 479 года греческая армия начала отступление, сначала отошли греческие отряды центра, а на рассвете — и афиняне.

Увидев это, персы атаковали неприятеля. Мардоний бросил вперед конницу, но за нею потянулась и пехота, которой показалось, что греки бегут. Первый удар врага приняли спартанцы, а затем персы напали и на афинян.

Персы построили стену из щитов и из-за нее осыпали спартанцев стрелами, нанося им значительный урон. Однако спартанцы блестяще продемонстрировали преимущества своей дисциплины: погибая во множестве, они не отвечали на выстрелы и не покидали строя до тех пор, пока не получили тактического преимущества. Когда персы оказались на дистанции короткого удара, Павсаний бросил фалангу в контратаку и опрокинул противника, несмотря на его отчаянное сопротивление.

Решающую роль в победе греков сыграло тяжелое вооружение, которого не было у персов. «В отваге и силе персы не уступали эллинам, но они были безоружны, неопытны (в таком бою) и по ловкости не могли равняться с противниками. Наиболее гибельно для них было отсутствие тяжелого вооружения — им, легковооруженным, приходилось воевать с тяжеловооруженными», — отмечал Геродот. (Геродот. История. М., 1993. С. 436.). Греческие же гоплиты имели копье, меч, длинный щит, шлем, латы и поножи.

В битве при Платеях греческая фаланга снова показала свое превосходство. Фаланга была известна еще во времена Троянской войны, но окончательно сформировалась в VI веке до н. э. Она состояла из воинов — полноправных граждан, которых называли гоплиты, по названию огромного круглого щита «гоплона», деревянная основа которого обтягивалась кожей или плотным полотном, имела чеканный бронзовый кант и символическое изображение в центре. Фаланга имела 8-16 рядов (реже до 25), по фронту занимала до 500 метров (при ряде в 1 тысячу человек). Основное действие фаланги — фронтальная атака пехотинцев (гоплитов), вооруженных сарисами (длинными копьями).

Атака гоплитов была стремительной и страшной, сопровождалась воем труб, свистом флейт и громким пением боевого гимна. Никто не мог выдержать удара фаланги на близком расстоянии. Завершали сражение гоплиты с помощью мечей, прямых обоюдоострых, или изогнутых однолезвийных. Фалангитам помогали отряды легковооруженных пращников, лучников, метателей дротиков, которые формировалась из молодых, неполноправных членов городской общины и жителей деревень. Мардоний, находившийся на белом коне во главе лучших воинов, сражался храбро. Но после того как он был убит вместе со всем отборным отрядом своих телохранителей, персы повернули назад и бежали с поля боя. Спартанцы и вернувшиеся из-под Платей греческие отряды центра преследовали их. Одновременно афиняне нанесли удар греческим союзникам персов.

Персы отступили и заперлись в укрепленном лагере. Спартанцы, первыми подошедшие к нему, оказались совершенно беспомощными, так как они не умели брать крепостей. С приходом афинян началась жестокая и продолжительная борьба за деревянные укрепления. Афинянам удалось взойти на стену и сделать пролом в ней. Первыми проникли в крепость тагейцы, которые разграбили шатер Мардония. После этого остатки персидского войска бежали к Геллеспонту.

Греки не щадили врагов, поэтому уцелело всего 3 тысячи персов, не считая 40 тысяч воинов, покинувших поле битвы в самом начале сражения. (Харботл Т. Битвы мировой истории. М., 1993. С. 358.). Павсаний приказал собрать трофеи, выделил значительную часть храмам, а остальное — золото, серебро, персидских наложниц, вьючных животных — разделил между воинами. Жители Платей, храбро сражавшиеся в этой битве, получили приз; их территория была поставлена под особую защиту всех эллинов.

Победа при Платеях ликвидировала угрозу вторжения персов в Грецию, стратегическая инициатива перешла к грекам, хотя отдельные столкновения продолжались до 449 года, когда был заключен Каллиев мир. Персидская деспотия вынуждена была отказаться от господства в Эгейском море, Геллеспонте и Босфоре и признать независимость греческих полисов в Малой Азии. Несмотря на ожесточенную борьбу между отдельными греческими городами пред лицом персидской опасности в ведущих государствах Греции верх взяли патриотизм и стремление к свободе. Это и обеспечило грекам решительную и бесповоротную победу.