La flota inglesa, al mando de Horatio Nelson, atacó en forma de dos columnas paralelas en perpendicular a la línea formada por Villeneuve, lo que le permitió cortar la línea de batalla enemiga y rodear a varios de los mayores buques enemigos con hasta cuatro o cinco de sus barcos. En un día de vientos flojos, la flota combinada navegaba a sotavento, lo que también daba la ventaja a los ingleses y, para colmo de desdichas, Villeneuve dio la orden de virar hacia el noreste para poner rumbo a Cádiz en cuanto tuvo constancia de la presencia de la flota inglesa. El cuerpo español no estaba de acuerdo en esto. Al parecer, Churruca, mientras leía las señales con el anteojo, manifestó: «el almirante no sabe lo que hace, la flota está perdida». Villeneuve intentaba huir casi sin presentar batalla, cuando la flota combinada francoespañola era, en cuanto a navíos, superior a la inglesa. La virada se realizó desordenadamente, ya que la virada en redondo con viento flojo tomó mucho tiempo a determinadas unidades muy pesadas y poco maniobreras. La línea de combate quedó deshecha y desaprovechada su mayor potencia de fuego. El ataque de Nelson desorganizó completamente la línea, consiguiendo la división de ésta en tres. Esto permitió a la escuadra de Nelson capturar a los barcos franceses y españoles, cortar la línea y batirles con artillería por proa y popa, los puntos más vulnerables de este tipo de embarcaciones. El combate empezó al mediodía, cuando un cañonazo de un navío de la retaguardia de la combinada disparó contra el Royal Sovereign que mandaba Cuthbert Collingwood.
Para colmo de despropósitos, la escuadra de vanguardia quedó aislada del combate y se alejó considerablemente del centro de la batalla aún a pesar de las explícitas órdenes generales que dictaban que «si un capitán no está en el fuego, diríjase al fuego». Durante el combate, el Bucentaure hizo enseñas repetidamente a la escuadra de vanguardia para que virase hacia el combate, orden que, inexplicablemente no fue atendida al momento por Dumanoir al mando de la agrupación. Algunos buques franceses y todos los españoles de esta escuadra viran hacia el fuego; sin embargo, Dumanoir, en un acto de cobardía, huye con su barco, el Formidable, junto a tres más: el Mont-Blanc, mandado por Lavillesgris; el Duguay-Trouin, mandado por Touffet y el Scipion, mandado por Berenguer. Estos cuatro barcos huidos (todos franceses) fueron apresados por la flota británica doce días después de la Batalla de Trafalgar, cuando intentaban ganar la costa francesa a la altura de Cabo Ortegal. Posteriormente, Dumanoir manifestó no haber visto la orden del Almirante debido a la humareda reinante.
Casi una hora y media después de empezar el combate, Horatio Nelson muere, alcanzado por un tirador del Redoutable que disparó desde la jarcia. Una bala de mosquete le entró por el hombro siguiendo una trayectoria descendente hasta quedar alojada en la columna vertebral. Inmediatamente, Nelson fue trasladado a la bodega para que un cirujano se ocupara de él, aunque desde el primer momento pudo constatarse la gravedad mortal de la herida. A causa de ella, Nelson se fue desangrando en una lenta agonía, rodeado de sus mas fieles oficiales. Durante la misma tuvo momentos de delirio y otros de lucidez. Hubo tiempo de informarle de la victoria de las armas británicas, tras lo cual pronunció sus últimas palabras: «Gracias a Dios he cumplido con mi deber».
El cadáver del honorable Nelson fue desnudado y conservado en un barril de brandy de jerez para evitar su deterioro en la travesía hasta Londres. A su llegada fue enterrado con honores militares en una ceremonia de una solemnidad nunca antes conocida en Inglaterra. Actualmente yace en la cripta de la catedral de San Pablo de Londres.
En el espacio de dos horas, la mayoría de los navíos más importantes de la flota franco-española ya se habían rendido o ya no disparaban sus cañones. En este tiempo, Gravina había sido herido y más tarde encontraron la muerte Dionisio Alcalá Galiano, en el Bahama, y Cosme Damián Churruca, en el San Juan Nepomuceno. Los comandantes quedaban la mayoría heridos, así como sus segundos. Casi al final del propio combate (hacia las 6 p.m.), el navío francés Achille, del capitán Deniéport, hizo explosión. El motivo fue que se incendió la santabárbara.
A las seis y media de la tarde finalizó el combate, quedando la flota franco-española aniquilada en todos los sentidos. La mayoría de los barcos españoles y franceses que habían sido apresados por la flota británica fueron llevados a Gibraltar. Esa noche se desató una tormenta; algunos barcos no pudieron aguantar, como el Santísima Trinidad, que se hundió con los heridos; otros pudieron llegar a las costas del Golfo de Cádiz.
Esta derrota no solo significó el fin del intento napoleónico de domino marítimo, sino que también el fin de España como potencia colonial y marítima, ya que nunca se recuperaría de este duro golpe.
