На месте остались афиняне и спартанцы с тегейцами. Понятно, что афиняне все еще надеялись на сражение — для них оно было жизненно важно. Это была возможность переломить ход войны.
Спартанцы также понимали это. Они знали, что персы их не пощадят в случае победы. А если это сражение будет проиграно, то многие города склонят голову перед царем державы Ахеменидов. Сама же Спарта в одиночестве была обречена на поражение.
Полководцы оставшихся греческих войск снеслись между собой и решили отступить к ручью Амомфарету и, видимо, назначили встречу у святилища Деметры. Спартанцы начали отступать туда, а афиняне двинулись в обход холмов вдоль по долине, проходящей сзади прежней позиции греческого войска, стремясь примкнуть к левому флангу спартанцев.
В это время персидская конница, не найдя греческого войска на его месте, двинулась через холмы. Мардоний, узнав, что греческое войско ночью отступило, разумеется решил, что ему осталось только преследованием истощенного противника довершить блестящую операцию. И он сыграл ва-банк!
Он двинул все свои войска на преследование спартанцев. И этот шаг был бы верным, если бы воины Спарты и Афин отчаялись бы окончательно. Но они были еще готовы сражаться и победить.
Спартанцы отправили гонца с просьбой о помощи к афинянам, умоляя их прислать хотя бы лучников, если фаланга окажется слишком медленной. Однако афиняне не успели даже отправить лучников, потому что с холмов на них уже двигались фиванцы и другие греческие союзники Мардония. Афинянам, вытянутым в походной колонне, было не сложно развернуться в боевое положение, так как им требовалось просто повернуться налево и удвоить ряды, превратив четыре шеренги походного положения в восемь шеренг боевого. Поэтому они вполне спокойно встретили фиванцев. Те же, не видя находящихся в долине афинян, свалились в долину безо всякого порядка, будучи убеждены в том, что им предстоит только преследование. Исход этой схватки был предрешен, афиняне с легкостью опрокинули почти всех греческих союзников Мардония.
Фиванская конница прославилась в этом сражении больше своей пехоты. Всадники двигались между эллинами правого крыла Мардония и собственно персами. Спускаясь в долину, они прошли между спартанской и афинской фалангами. В это время в оголенный центр начали подтягиваться войска, бежавшие ночью к Платеям. Торопясь все-таки на помощь спартанцам, около 10 тысяч коринфян и других эллинов беспорядочной рекой текли по долине. Всадники врезались в эту массу, и почти треть союзного войска была остановлена и загнана на Киферон.
Однако этот значительный успех уже не мог спасти положения — афиняне, обратив в бегство своих противников, ударили в тыл и фланг победоносной коннице. Часть из них они, видимо, отрезали от своих и полностью перебили — это были 300 отборных фиванских аристократов, блестящих кавалеристов.
В это время на правом фланге греческой армии Мардоний, спустившись в долину, обнаружил вместо отступающей колонны спартанцев вполне готовое к сражению войско. И имея не более 4 тысяч пехотинцев и 2 тысячи всадников Мардоний неожиданно вышел на 11,5 тысяч спартанцев и тегейцев!
Мардоний приказал пехоте развернуть укрепление из щитов и начать стрельбу из луков, ожидая остальные отряды. Действие единственно правильное в такой ситуации. Персы начали осыпать противника стрелами, и спартанец Павсаний долгое время не решался атаковать их, ожидая подхода греков центра. В это время тегейцы, утомленные персидской стрельбой, двинулись в атаку и спартанцы были вынуждены поддержать союзников. И весьма вовремя — Артабаз, заместитель Мардония, командовавший остальными частями персов, не поспел на помощь своему начальнику и 4 тысячи мидийской, бактрийской и индийской пехоты не успели принять участие в сражении.
Этот военачальник, был весьма осторожный полководец. Он медленно двигался наверх по холмам, стремясь ввести свои войска в бой в идеальном порядке. Но склоны холмов оказались круче, чем казалось визуально, И солдаты Артабаза значительно отстали от правого и левого флангов.
Спаянные своей великолепной дисциплиной, спартанцы выдержали стрельбу лучников и дорвались до персидской пехоты, однако опрокинуть ее одним ударом не удалось. Дело дошло до рукопашного боя, в котором персы хоть и были сильнее, но двукратное превосходство противника давало о себе знать. Тем не менее, сражение висело на волоске, и вокруг святилища Деметры произошла страшная резня. На тот момент битвы еще никто не победил.