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, занявшие позиции на марсах кораблей. Около 13.30 ружейной пулей был смертельно ранен адмирал Г. Нельсон, находившийся на шканцах «Виктори». В 16.40 он умер.
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. В17.30 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.
