Возмущению Вильнёва не было границ. Заменить его, боевого адмирала, каким-то там Росили?! Этой 60-летней развалиной, больше преуспевшей в гидрографических изысканиях, чем в военных делах, к которым он не имел никакого отношения уже почти 22 года?! Уязвленное самолюбие заставило Вильнёва начать срочно искать встречи с блокировавшей Кадис эскадрой Нельсона. Несмотря на возражения Гравины и некоторых других командиров, был отдан приказ сниматься с якоря. Лучше бы Вильнёв этого не делал!
Союзники располагали 18 французскими и 15 испанскими линейными кораблями, а в противостоявшей им английской эскадре Нельсона было лишь 27 кораблей. 19 октября из Кадисской бухты вышли 9 кораблей авангарда под командованием Магона, остальные 24 корабля последовали за ними на следующий день. Союзники шли, как обычно, в линию, испанцы по-другому воевать не умели. Впереди шел испанский линейный корабль «Нептун», флагман Вильнёва «Буцентавр» шел двенадцатым, флагман Гравины «Принц Астурийский» — тридцать первым, а замыкал колонну испанский линейный корабль «Непомусено».
Британцы построились в две колонны. Главный удар должны были наносить 15 кораблей заместителя Нельсона Катберта Коллингвуда. Они должны были прорезать неприятельский строй и окружить корабли арьергарда. Одновременно с этим 12 кораблей под командованием самого Нельсона должны были атаковать франко-испанский центр.
Оба флота встретились 21 октября 1805 года у мыса Трафальгар, в десяти милях от Кадиса. Вильнёв, увидев английскую эскадру, повернул к Кадису. Он хотел дать сражение как можно ближе к этому порту, чтобы в случае неблагоприятного его хода можно было укрыться в его гавани. Выполнение этого маневра облегчило реализацию плана Нельсона. Поворот союзной эскадры на обратный курс занял около двух часов. Из-за слабого ветра и неумелых действий экипажей (прежде всего испанских) корабельный строй при повороте нарушился.
Нельсон сразу же пошел на сближение с противником. Его эскадра шла по океанской волне, эскадра же Вильнёва вынуждена была принимать волну бортом, что затрудняло ход и прицельную стрельбу. Правда, в период сближения англичане могли использовать лишь незначительную часть своей артиллерии, тогда как их флагманским кораблям пришлось выдержать массированный огонь почти всего франко-испанского флота. Однако адмиралу Вильнёву не удалось воспользоваться уязвимым положением англичан в период сближения. Флагманские корабли «Виктория», на котором находился Нельсон, и «Ройял Соверен», на котором находился Коллингвуд, не получили повреждений.
В половине первого Коллингвуду удалось прорезать строй кораблей Вильнёва. При этом английские корабли давали мощные залпы обоими бортами с дистанции в несколько десятков метров, нанося противнику тяжелые потери. Ядра, выпущенные почти в упор, производили страшный урон, калеча людей, ломая мачты и надстройки. Опытные английские артиллеристы стреляли втрое быстрее, чем испанские и французские, и это решило исход боя.
В час дня колонна Нельсона прорезала франко-испанский центр. Линейный корабль «Виктория» дал продольный залп по флагманскому кораблю Вильнёва «Буцентавр». При этой атаке сам Нельсон был смертельно ранен ружейной пулей в грудь и умер еще до окончания сражения, но на его исход смерть командующего уже повлиять никак не могла. Последними словами Нельсона стало восклицание: «Все кончено, они добились своего. Слава богу, я исполнил свой долг!»
Как и предполагал Нельсон, авангард Вильнёва прибыл к месту боя с большим опозданием. Правда, его появление отвлекло на себя основные силы заменившего Нельсона Коллингвуда, что позволило 11 судам испано-французского арьергарда оторваться от противника и уйти в Кадис.
К половине шестого вечера сражение завершилось полным разгромом франко-испанского флота. Англичане полностью сожгли один («Ахилл») и захватили 17 неприятельских кораблей (8 французских и 9 испанских). Сами они при этом потерь не имели (16 их кораблей, правда, были серьезно повреждены и отправлены назад в Англию). Потери англичан составили примерно 1600 человек убитыми и ранеными, а испанцы и французы потеряли более 7 тысяч человек убитыми, ранеными и взятыми в плен. Командующий испанскими силами вице-адмирал Гравина был смертельно ранен, а сам Вильнёв, чей флагманский корабль «Буцентавр» лишился всех мачт, попал в плен.
В сражении при Трафальгаре адмирал Вильнёв проявил личное мужество, но так и не смог повлиять на его исход. Как написал А. З. Манфред, «французский флот был неизмеримо слабее английского, и не вина Вильнёва, а его трагедия состояла в том, что он не смог одолеть могучего противника». Титулованного пленника вместе с другими его товарищами по несчастью доставили в Англию.
Узнав о разгроме своего флота, Наполеон был крайне опечален. О Вильнёве император с негодованием сказал:
— Этот офицер в генеральском чине не был лишен морского опыта, но ему не хватало решимости и энергии. Он обладал достоинствами командира порта, но не имел качеств, необходимых солдату.