В сумерках, после еще одного дня непрерывных атак персидской конницы, утомивших греческую пехоту, армия начала ночной переход. Центр греков уже был заметно деморализован. В страхе перед персидской конницей он рвался укрыться в Платее. Павсаний же столкнулся с неповиновением упрямого спартанского офицера Амомфарета, который не присутствовал на совещании и теперь отказывался выполнять приказ об отступлении, считая его равносильным бегству перед лицом врага. Узнав от Павсания, что спартанцы и тегейцы не сдвинулись с места, афиняне также остались на своих позициях. С приближением рассвета главнокомандующий приказал отступать, оставив Амомфарета и его отряд позади. Пока афиняне пересекали равнину, Павсаний повел свои силы вдоль предгорий. После этого за ним неспешно последовал Амомфарет со своими людьми, и Павсаний остановился, чтобы они догнали его.
Персидская конница, на рассвете пошедшая в атаку, обнаружила греческие позиции покинутыми. Тогда она набросилась на объединившиеся силы Павсания и Амомфарета. Мардоний решил, что греческая армия развалилась. Он немедленно приказал всей своей пехоте идти в атаку скорым шагом. Союзные ему греки на правом фланге отрезали афинян, к которым тщетно взывал Павсаний, а персидская пехота повела общее наступление на лакедемонян и тегейцев, оставшихся без поддержки. Но персы не торопились идти на сближение. Сперва они построили укрепление из своих больших плетеных щитов, чтобы защититься от снарядов греческих застрельщиков, и засыпали ряды гоплитов стрелами. Павсаний удерживал своих гоплитов на месте, пока вражеские ряды не сбились в кучу. Знамения были благоприятными. Тогда гоплиты, сохраняя четкий строй, пошли в атаку вниз по склону, снесли укрепление и сблизились с врагом. Их смертоносные копья, сомкнутые щиты и тяжелые доспехи позволили им постепенно одолеть персов, которые бились стойко, даже хватались за наконечники копий голыми руками, но не имели щитов, нагрудных пластин и достаточно длинного оружия. Особенно жестокий бой разгорелся там, где Мардоний, восседая на белом коне, повел в атаку тысячный пехотный отряд царских телохранителей. Но и они были разбиты, а Мардоний погиб. После этого персидская пехота смешалась и бросилась в беспорядочное бегство, а вслед за ней толпы мидийцев, бактрийцев и прочих. Преследование было таким стремительным, что конница не могла отрезать греков от беглецов, спешивших к укрепленному лагерю.
Во время рукопашной схватки отряды, составлявшие центр греков, поспешили обратно от Платеи – одни через предгорья, другие по равнине. Последние попали под удар фиванской конницы, потеряли 600 человек и укрылись на склонах горы Киферон. Афиняне на левом фланге вели жаркий бой с беотийцами; когда был уничтожен отборный фиванский отряд из 300 человек, беотийцы отступили к Фивам. Часть персов – пехота центра под командованием Артабаза и конные эскадроны – отошли на север, сохраняя боевой порядок. После этого афиняне присоединились к лакедемонянам, которые не могли преодолеть частокол. Благодаря решительным и умелым атакам афиняне проделали брешь, через которую греки ворвались в лагерь, разя азиатов, как овец в загоне: Павсаний, встревоженный огромным числом врагов и, вероятно, помня об учиненных врагом зверствах, приказал своему войску не брать пленных. Когда резня закончилась, основные пехотные силы персидской армии перестали существовать. Угроза персидского завоевания была отражена, как оказалось, навсегда благодаря высочайшему воинскому духу и мастерству спартанских гоплитов, зарекомендовавших себя сильнейшей пехотой не только Греции, но всего цивилизованного мира.