这是公元前479年8月27日清晨。玛尔多纽斯发现希腊联军放弃阵地，呈行军队形散布在平原上，认定希腊人已经败逃，于是下令全线追击。波斯骑兵一马当先，步兵紧跟其后，乱哄哄地渡河追来。玛尔多纽斯亲率5万多波斯军队向斯巴达军团直扑过来，希腊仆从部队则向雅典军团逼近，阿塔巴兹率领波斯藩邦部队谨慎地拖在后面。
普萨尼亚斯看到波斯军队追来，立刻命令部队在一块略微隆起的平坦高地上结阵。波斯骑兵眨眼功夫就冲到近前发起进攻，并试图向斯巴达阵营的侧后迂回包抄——这是波斯骑兵典型的战术。古典史料没有说明波斯骑兵是否迂回成功，但从当代的地貌来看，普拉提亚平原靠近希泰隆山的部分地形已经相当破碎，沟壑遍布，波斯骑兵在这里的活动肯定受到很大的限制。随后赶到的波斯步兵陆续在斯巴达阵前100米组成混合盾牌方阵，弓箭手在盾牌后面开始一波又一波的齐射，用希罗多德的话说："斯巴达阵营淹没在波斯箭雨里。"
斯巴达人行军时让战斗力最强的精锐走在纵队的头部和尾部，每个小队的最前排也是小队中最优秀的战士。一旦遇到敌军，全军以纵队最前排或者最后排的精锐小队为基准，横向展开变成横队。这样方阵最右端和最前排就是战斗力最强的战士了。他们后面是边民重步兵和黑牢士奴隶组成的轻步兵。
就这样，在迅速完成了队列转化后，5000斯巴达步兵和3000特格亚人的步兵组成了坚实的方阵。斯巴达战士训练有素，将盾牌片片相连组成坚实的盾牌防线，虽然不时有人中箭倒地，但阵形丝毫不乱。普萨尼亚斯一直等到波斯步兵全部到达，列阵完毕，才面向普拉提亚城内的赫拉神庙祈祷，这样做表面上是虔诚，实际上是因为波斯人机动性更强，随时可以后撤。所以他们的计划是承受一波箭雨，等更多对手近到可以射箭，再进行爆发式突击。
身边的祭司心领神会，声称预兆吉祥，普萨尼亚斯于是下令冲锋。
近万斯巴达重装步兵组成纵深8行、正面宽1千多米的密集阵，紧跟其后的是2万以上希洛轻装步兵，这样斯巴达步兵方阵的厚度达到36行，冲击力惊人。
斯巴达的盟友特格亚人为了防止更大的伤亡，而率先杀出。他们的重步兵很快就冲破波斯人的阵线。斯巴达人则在之后才跟着推进。在近战中，身披金属鳞甲和青铜胸甲的希腊重步兵优势巨大。成排面推进的他们将三五成群的波斯人一个个打倒在地。波斯军队的盾牌防线在如此强劲的冲击下土崩瓦解。
斯巴达步兵步调一致，长矛平举向前突击，波斯步兵阵线有秩序地整体后退，前几排的士兵挥舞着弯刀和斯巴达长矛阵搏斗，有些悍勇之徒甚至徒手将斯巴达士兵的长矛抓住折断；后排的波斯士兵依然保持弓箭齐射。
战役进行到此时仍然胜败未分，波斯步兵斗志昂扬，前仆后继地和斯巴达密集阵搏斗，波斯骑兵在一旁等待时机乘虚而入。不一会斯巴达军团就推进到平坦的开阔地上，波斯骑兵开始反击，玛尔多纽斯身穿鲜艳的盔甲，亲率1千重装骑兵向斯巴达军团侧翼冲击，同这里轻装的希洛奴隶军发生混战。希洛士兵拼死抵抗，但由于缺乏盔甲保护，伤亡惨重。正当斯巴达军团侧翼饱受压力，摇摇欲坠的危急关头，意外发生了。一个名叫阿里姆尼斯塔的斯巴达战士奋力投出一支标枪，击中波斯统帅玛尔多纽斯，后者当场坠马毙命。主帅阵亡彻底动摇了波斯人的军心，此前一直秩序井然的波斯阵营开始瓦解，纷纷回身逃命。
正在斯巴达军团同波斯军队激战的同时，西面的雅典军团同波斯的希腊仆从部队也发生激战，由于双方采取相同的密集阵战术，战况一度胶着。但当希腊仆从部队得知玛尔多纽斯的死讯，大部分人立刻撤离战场，留下实力最强的底比斯人死战到底。
就这样，底比斯最勇猛的300战士和雅典人血战至最后一人。
这时希腊联军的中央阵营也赶了上来，于是希腊各部队开始全线追击。波斯军队撤退时由骑兵断后，以密集的弓箭迟滞斯巴达步兵的追击，并伺机攻击脱离大部队的小股希腊军队，美加里和弗里西亚的数千步兵就在追击途中遭到波斯骑兵的袭击，被斩杀600余人。绝大多数波斯军队得以安全撤过阿索浦河，躲进坚固的营垒里面。追过河来的希腊联军将波斯大营团团围住，从四面攻打。希腊密集阵在坚固的营垒面前一筹莫展，而波斯人从木制寨墙后面居高临下向希腊人群倾泻箭雨，造成惨重伤亡。最后还是悍勇的特吉亚人硬将一段寨墙推倒，结果希腊步兵一涌而入，波斯大营内包括随军妇女和平民在内的所有人被屠杀殆尽。
普拉提亚战役中，一直拖在后面的波斯将领阿塔巴兹看到战局逆转，立刻率领4万藩邦部队（战兵2万，辅兵2万）撤过阿索浦河，过波斯大营而不入，直接朝马其顿方向撤退。这支波斯军队冲破希腊城邦沿途的重重拦截，取道色雷斯和拜占庭，渡海回到小亚细亚。阿塔巴兹由于保全部队有功，受到薛西斯嘉奖，被封为赫拉斯滂总督。玛尔多纽斯亲率的大军几乎全军覆没，只有3千骑兵逃脱。
大战之后，分到充足战利品和金银财宝的希腊人，又包围了底比斯。此时，希腊人的攻城战短板，再次暴露了出来。对于被围的水泄不通的底比斯城，一筹莫展。最后只能要求对方交出给波斯出谋划策的贵族，全部处决。
在普拉提亚战役进行的同时，斯巴达国王利奥提希德（列奥提西达、列奥提基达斯）率领的希腊联合舰队在小亚细亚的米卡雷（米卡列海角）击败一支波斯大军（米卡尔战役）。
当时远征到伊奥尼亚的希腊偏师，在列奥提西达的指挥下，搜寻波斯舰队的踪迹。希腊人一路搜寻到了伊奥尼亚起义（爱奥尼亚起义）时，拉德海战的古战场。
由于波斯人认为自己在海面上已经失去优势，于是他们让腓尼基人的船队回家，保护中东地区的贸易活动，防止希腊人攻击黎巴嫩地区。然后部分陆军将剩下的船只拉上岸，在周围建造石墙、木墙和鹿砦。在经过一番折腾后，这些船只损耗严重，已经无法承担作战任务，所以波斯人选择让水兵上岸，建造船寨保护幸存船只。
联军为了取得胜利，提前收买了伊奥尼亚希腊人作为内应。所以斯巴达人高呼口号，试图分化波斯人和伊奥尼亚人。结果波斯人马上将伊奥尼亚人支出军营或者解除武装。
于是希腊人兵分两路，雅典人负责正面强攻，斯巴达人负责迂回包抄，截断波斯人的退路。在雅典人攻破了城寨后，斯巴达人及时赶到，封堵了逃兵的退路。一直被波斯人压迫的萨莫司（萨摩斯）人和米利都人也趁机反戈一击，痛打落水狗。希腊联军再一次取得了辉煌胜利。
从此希波战争攻守易位，希腊联军开始主动出击，控制从爱琴海到黑海的各个战略要地，并将波斯势力从许多小亚细亚的希腊城邦中赶了出去。雅典依靠其强大的海军主导希腊联盟长达二十七年，史学家讽刺地称这段时期的希腊联盟为"雅典帝国"。
普拉提亚战役，波斯统帅玛尔多纽斯的临阵指挥无可挑剔，波斯军队也占尽先机，好几次几乎将希腊联军逼入绝境。希腊联军最后胜在纪律严明和斗志顽强，民族存亡在此一战的信念使希腊军队士气高昂、视死如归，能够经受逆境而阵脚不乱。此战玛尔多纽斯非常合理地使用了波斯骑兵，如果不是玛尔多纽斯意外阵亡，波斯重骑兵很可能会导致斯巴达侧翼的崩溃。波斯军队由于来源芜杂，组织上对主帅非常依赖，一旦失去主帅就立刻瓦解，而波斯将领一直有身先士卒的传统，此战两位波斯主将的阵亡对部队士气打击很大，也是波斯军队失败的原因之一。普拉提亚战役希腊联军胜得相当侥幸，也许冥冥中真的有天意吧。
该年，以雅典为首的希腊海军反攻波斯，攻进小亚细亚，使小亚细亚诸希腊城邦脱离波斯的统治。公元前449年，希波战争以双方签订卡里阿斯和约而告结束，波斯帝国从此承认小亚细亚之希腊城邦的独立地位，并且将其军队撤出爱琴海与黑海地区。
希腊所以取得战争的胜利首先是因在战争的初期阶段，希腊人为自己的自由和独立而战，敢于斗争，敢于胜利；而波斯军的大多数是被征服、被压迫民族，因胁迫或雇佣而参战，故作战消极。希腊军在士气上胜过波斯军。另外，在几次大会战中，希腊将领在指挥、布阵方面具有优势，希腊士兵的重武装较波斯军的轻装更适于集团肉搏战。波斯军劳师远征，天时多次不顺，后勤供应困难。总之，波斯的失败有着必然性和偶然性。
希波战争对波斯帝国来说是衰落的转折点，从此帝国失去了扩张能力。但战争为希腊一些城邦创造了大量使用奴隶劳动的资金、劳动力来源和社会需求，使希腊的经济和政治趋向极盛。战争还极大地改变了希腊邦际政治关系。斯巴达一家称霸的局面被打破，雅典从一个屡受斯巴达干涉的二等国家发展成为与之相竞争的地区霸主，其附属国遍布爱琴海和希腊本土，最多时达200多个。战争还促进了希腊城邦政治的发展，雅典第四等级公民广泛在海军服役，为战争做出巨大贡献，从而提高了政治地位，促使民主政治进一步完善。随着雅典霸权的确定，雅典式的民主政体在其附属国广泛传播，对寡头制和贵族制以沉重打击。
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