20 октября эскадра П.-Ш. Вильнёва (18 французских и 15 испанских линейных кораблей, 5 фрегатов, 2 брига) вышла из Кадикса и взяла курс на северо-запад, чтобы выйдя на морской простор, затем повернуть в Гибралтарский пролив. Английские фрегаты следовали за союзниками. Чтобы позволить противнику выйти из порта и затем навязать бой в море, Г. Нельсон повел эскадру к Гибралтару. Этим маневром он преградил союзникам путь в Средиземное море. Затем английская эскадра легла в дрейф.
На рассвете 21 октября 1805 г. франко-испанская эскадра под командованием адмирала П.-Ш. Вильнёва (33 линейных корабля) шла к югу в строю из пяти кильватерных колонн, из которых две наветренные, из 12 кораблей, составляли отдельную эскадру под командованием испанского адмирала Ф. Гравина. Противники встретились в 10–12 милях к северо-западу от мыса Трафальгар. Около 6 часов союзная эскадра была обнаружена английской эскадрой под командованием адмирала Нельсона. Англичане, перестроившиеся в две колонны при ветре запад-северо-запад, стали спускаться на противника.
Вскоре после рассвета П.-Ш. Вильнёв приказал своим кораблям построиться в линию баталии. Убедившись в неизбежности сражения, Вильнёв в 8 часов дал приказ всей эскадре повернуть через фордевинд и взять курс на север к Кадиксу, чтобы при неудачном исходе сражения укрыться в порту, до которого было 20 миль. Поворот был закончен к 10 часам, но из-за слабого ветра и плохой морской выучки командиров и экипажей он был выполнен плохо и привел к нарушению боевой линии эскадры. Ветер благоприятствовал англичанам.
Английские корабли под всеми парусами в двух колоннах шли на восток. Во главе первой, наветренной колонны из 12 кораблей, шел Г. Нельсон на «Виктори», вторую, подветренную из 15 кораблей, вел вице-адмирал К. Коллингвуд, держа флаг на 100 пушечном линейном корабле «Роял Соверен». Расстояние между колоннами было около мили.
Союзники ожидали атаки англичан в традиционном ордере баталии – длинной кильватерной колонне, растянувшейся на 5 миль. Но из-за тихого ветра, большого числа кораблей, имевших разные ходовые качества, их колонна представляла собой кривую выпуклую к востоку.
В полдень П.-Ш. Вильнёв отдал приказ открыть огонь, сражение началось. После того как англичанами был прорезан строй франко-испанской эскадры, сражение приняло характер боя одиночных кораблей. Корабли сходились так близко, что их реи касались. Поэтому кроме орудий вели огонь из ружей стрелки
Около 17 часов командовавший арьергардом эскадры союзников испанский адмирал Ф. Гравина, воспользовавшись тем, что внимание англичан было отвлечено атакой французского авангарда, увел свои уцелевшие корабли и часть кораблей центра (всего 11 кораблей) в Кадикс. Преследовать их К. Колингвуд, корабли которого получили сильные повреждения, а личный состав понес большие потери, не смог. В 17.30 сражение окончилось. Союзники понесли большие потери: англичане захватили 8 французских и 9 испанских линейных кораблей (в том числе 4 флагманских), один французский корабль сгорел.
В 23.10 адмирал Ф. Гравина с пятью кораблями и пятью фрегатами, спасшимися во время битвы, вышел из Кадикса в море с целью попытаться отрезать некоторые из призов, бывших под берегом. Они успели взять два из них, но так как те были совершенно разбиты, а три из спасателей были вынесены на берег и потерпели крушение, сопровождавшееся гибелью большого числа людей, то из этой храброй попытки вышло немного пользы. Кроме того, 5 линейных кораблей – 4 французских и 1 испанский – из захваченных англичанами разбились у берега во время шторма.
Ни один английский корабль не погиб, но семь были серьезно повреждены.
Помимо союзных кораблей, укрывшихся в Кадиксе, от погрома уцелел еще отряд из четырех линейных кораблей под командованием адмирала П. Дюмануа, который пошел на север. Но 4 ноября этот отряд наткнулся около мыса Ортегаль (близ Ферроля) на английский отряд из четырех линейных кораблей и фрегата под началом адмирала Р. Стрехэма, и в последовавшем бою англичане завладели всеми четырьмя французскими кораблями. Считая и их, союзники потеряли 22 линейных корабля. Из 33 кораблей союзного флота, вышедших из Кадикса 8 октября 11—5 французских и 6 испанских, представлявших теперь большей частью негодные корпуса, снова стояли в Кадиксе.
Союзники потеряли около 7 тысяч человек убитыми, ранеными и пленными, англичане – до 1700 человек. Из семи адмиралов союзного флота один был убит, два ранены, а трое попали в плен. Самой тяжелой потерей англичан была гибель адмирала Г. Нельсона.
После Трафальгарского погрома французы уже не предпринимали более серьезных морских операций, и если и высылали в море небольшие отряды, то специально с целью нападения на неприятельскую торговлю или для помощи атакованным французским колониям. В результате Трафальгарского сражения Англия неоспоримо закрепила за собой господство на море.