Геродот утверждает, что афиняне потеряли 195 человек убитыми, а персы — 6400. В действительности потери персов вряд ли существенно превышали потери афинян. Дело в том, что на поле сражения афиняне погребли не только своих, но и персов. Холм с захоронением греков был впоследствии раскопан археологами. Если бы персов погибло несколько тысяч, как говорил Геродот, то их захоронение представляло бы собой еще более внушительную возвышенность. Но ничего подобного на марафонском поле так и не было обнаружено.
По Геродоту, афинянам будто бы удалось захватить также 7 неприятельских кораблей. Более правдоподобным кажется предположение, что поднявшийся шторм разметал персидский флот, несколько кораблей было выброшено на берег и оказалось в руках воинов Мильтиада. Указание на бурю можно усмотреть в сообщении Павсания о том, что высадившихся у Марафона «варваров» встретил гнев богини судьбы Немезиды, дочери Океана.
Сразу же после победы в Афины был послан гонец. Он пробежал без остановки весь путь, успел прокричать на рыночной площади Афин, что персы разбиты и отступили, и рухнул замертво. После этого оппозиция не рискнула поднять восстание. Греческие войска, совершив форсированный марш, быстро вернулись восвояси. Непогода же не позволила персидскому флоту вовремя прибыть к Афинам. Дарий отплыл к берегам Малой Азии.
В дальнейшем смерть Дария и восстание в Египте, длившееся с 486 по 484 год, заставили персов отложить новый поход в Грецию. Новый царь Ксеркс только в 480 году, укрепив свое положение внутри страны, двинулся в поход на Балканы. Его армию Геродот с комической точностью исчисляет в 4200 тысяч человек, включая обозы. Дельбрюк доказал абсурдность этого числа простым примером. Прусский армейский корпус в конце XIX века, согласно уставу, при численности в 30 000 человек при походе растягивался примерно на 21 км, без учета повозочного парка. Следовательно, если верить Геродоту, походная колонна армии Ксеркса должна была, даже без обозов, растянуться примерно на 3000 км. Следовательно, в тот момент, когда авангард персов высаживался в Греции, арьергард должен был находиться еще в персидской столице Сузах, за рекой Тигр. В действительности и греческая и персидская армия вряд ли превышали по численности несколько десятков тысяч.
Персы переправились на Балканы по большому мосту, построенному через Геллеспонт (Дарданеллы). Действия сухопутной армии поддерживал большой флот. Греческий флот не сумел помешать высадке. Армия греков, состоящая из отряда спартанцев в 300 человек во главе с царем Леонидом, а также отрядов фиванцев и феспийцев, прикрывала Фермопильский проход между северной и средней Грецией. Персам удалось обойти защитников Фермопил. Тогда Леонид бросил навстречу им 4,5 тысячи из 7 тысяч гоплитов, которыми он располагал. Но почти весь этот отряд был уничтожен 10-тысячным корпусом «бессмертных» — личной гвардии персидского царя. Оставшиеся с Леонидом фиванцы сдались на милость победителям. Только спартанский царь с отрядом из 300 человек своих телохранителей дрался до конца. Все они пали в бою. Тем временем основные сухопутные силы греков отступили к Коринфскому перешейку, отделявшему Пелопоннес от остальной Греции. Здесь на помощь афинянам пришла основная часть спартанской армии Войска Ксеркса заняли Аттику, в том числе и Афины. Греческий флот потерпел поражение у мыса Артемизий, но сохранил боеспособность и отступил к о-ву Саламин. Туда было эвакуировано и почти все население Афин, так что персам достался пустой город.