1805年10月15日，維爾納夫得知羅西里已經啓程來接替他。他覺得這是個奇恥大辱，於是決定在羅西里到達之前，即先行衝出加的斯港，通過直布羅陀海峽前往地中海，配合拿破崙在意大利的軍事行動。10月17日，維爾納夫發出準備啓航的信號，由於有風，一直等到19日上午6時艦隊纔出發。兩個半小時後，納爾遜從其在岸邊監視的巡洋艦上，獲得敵軍已出港的信號。他立即發出了“全面追逐”、“敵艦已在海上”等信號。
1805年10月20日天明時，納爾遜正在直布羅陀附近。上午7時，發現了維爾納夫的艦隊正向直布羅陀海峽前進。在日落之前，納爾遜命令他的巡洋艦在夜間應與敵人始終保持着視力上的接觸。1805年10月21日拂曉，當法西聯合艦隊駛抵特拉法爾加海域距英艦隊只有12哩時，納爾遜發出“成兩個縱隊前進”、“備戰”的信號。19世紀規模最大的一場海戰——特拉法爾加海戰開始了。
此時，法西聯合艦隊有戰列艦33艘，其中1艘爲當時最大的四層甲板戰列艦“三叉戟”號;3艘爲三層甲板戰列艦;其餘29艘爲兩層甲板戰列艦。此外，還有7艘巡洋艦。戰列艦中有18艘爲法國的，15艘爲西班牙的。所裝有“側舷”火炮2626門，共載官兵21580人。
英國艦隊原來共有戰列艦33艘，其中的6艘在戰前奉命去護衛一支駛向馬耳他的運輸船隊。餘下的27艘戰列艦中，7艘是三層甲板戰列艦，其餘20艘爲兩層甲板戰列艦。此外還有4艘巡洋艦和2艘輔助船。合計“側舷”火炮2148門，官兵16820人。
維爾納夫認清了因爲風力的輕微，使他不可能避免會戰時，於是在上午8時發出信號，命令全部艦隊轉向，這樣好使加的斯港可以處於下風位置，以便被擊毀的船隻有一個避難之地。這個在最後一分鐘又改變計劃的行動，實在是十分的不幸，因爲這不僅好像退卻一樣，足以影響到部隊的士氣，而且這樣調一個頭，需要兩個多鐘點的時間，結果所組成的戰線凌亂不堪。
當聯合艦隊正在調換方向之際，英國艦隊分爲兩個縱隊，在滿帆之下趕了過來。上風的縱隊由納爾遜指揮，下風的則由柯林伍德指揮。由於擔心維爾納夫逃回加的斯港，納爾遜不照原計劃，不以敵方中央前段爲目標，而改向其前衛的中央衝去。柯林伍德則向敵人後衛部分前段進攻。納爾遜又發出了其著名的通令：“英格蘭要求每人恪守職守!”
上午11點30分，柯林伍德已經接近法西聯合艦隊的後段，維爾納夫發出了“開火!”的命令。11時45分，法艦“弗高克斯”號射出了第一炮，這是以柯林伍德的旗艦“王權”號爲目標的，這時雙方相隔尚在四分之一哩以外。此時，雙方好像是一致行動一樣，都升起他們的國旗。在英、法、西三國的船上，鼓樂齊鳴，士兵舉槍敬禮。
於是會戰展開。特拉法爾加大海戰分爲三個階段：柯林伍德的攻擊，納爾遜的攻擊和法將杜馬羅爾反攻失敗。
當“弗高克斯”號向“王權”號開炮時，“王權”號仍繼續保持航向不變，切進了法艦“弗高克斯”號和西班牙艦“聖安拉”號之間。“王權”號用左舷炮轟擊“聖安拉”號的船尾，使之遭受重創。接着又對着“弗高克斯”號發射右舷的火炮，此後又駛近“聖安拉”號的右後段，再向它射擊。柯林伍德不久發現他周圍都是敵船，經過40分鐘的猛烈轟擊之後，“王權”號已變成了一個無法控制的空船殼，不久就由英巡洋艦“歐亞拉斯”號拖曳着行駛了。下午2時20分，西班牙艦“聖安拉”號已經完全喪失了戰鬥力，乘員死者104人，傷236人，開始下旗投降。於是，布萊克伍德上校躍過船去，把重傷垂危的阿爾發海軍少校運過“歐亞拉斯”號上面來。
在“王權”號出戰8分鐘後，英艦“貝里島”號也從“弗高克斯”號的後面切入敵線。也和“王權”號一樣，它立即爲幾艘敵艦所包圍。“貝里島”號主桅被炸斷，有段時間連一炮都發射不出來。雖然如此，它卻把軍旗釘到後桅杆上，繼續不屈地奮戰。以後才被3艘英艦救出。
在“貝里島”號攻擊之後一刻鐘，“火星”號也投入了戰鬥。以後其它每一艘英國軍都是以這種方式分別地切入敵線，向首尾兩端的敵艦用兩側的舷炮猛擊，使每艘敵艦都受到了連續的集中火力。等到柯林伍德的最後一艘戰列艦“親王”號投入攻擊時，已經是下午3時。到戰鬥結束時，與柯林伍德交戰的共有15艘法西兩國軍艦，其中10艘被俘，1艘被擊沉。逃走的只有4艘，其中有1艘爲西班牙旗艦“奧國王子”號，上面載着垂死的西班牙海軍將領格拉維拉。
在柯林伍德縱隊開始作戰25分鐘後，納爾遜縱隊也投入戰鬥。與前者不同，它始終保持着不規則的魚貫形隊形。納爾遜親乘旗艦“勝利”號，率“提米萊爾”號、“海王星”號3艘三層甲板戰列艦向聯合艦隊的前衛中央挺進。下午12點24分，“勝利”號的左舷炮開始射擊。交火不久，“勝利”號和“提米萊爾”號即開始向右旋轉，納爾遜是在尋維爾納夫的旗艦。雖然“勝利”號上的一切望遠鏡都在搜尋之中，想發現維爾納夫的司令旗，但結果還是一無所獲。於是，“勝利”號遂趨前攻擊“三叉戟”號，假定維爾納夫可能是在這艘最大的四層甲板軍艦上。當“勝利”號向“三叉戟”號前進時，即發現在該艦後方有一艘法國兩層甲板戰艦的前桅上，掛着總司令的將旗，它就是“布森陶爾”號。“勝利”號冒着敵火，不久即鑽到了“布森陶爾”號的後方，用其船頭上的短炮(68磅)和側舷的火炮，向“布森陶爾”號的舷窗中猛射，使它受到了極大的損毀。當英艦“海王星”號和“征服者”號接近了“布森陶爾”號之後，“勝利”號遂向右一轉，與法艦“敬畏”號平靠着。
“勝利”號和“敬畏”號立即糾纏在一起，雙方乘員都準備躍上對方甲板，但是法國人的企圖爲英方的火力所制止，傷亡頗多。差不多又過了一個小時，兩艦還是絞在一起，當納爾遜正在後甲板上與艦長哈迪一同行走時，從“敬畏”號船桅上射來一顆槍彈，子彈打在他左肩的肩章上，透入了其胸部，落在他的脊椎骨上。他撲倒在甲板上，但他爬起來之後就說：“他們終於把我解決了。哈迪……我的背脊骨已經被射穿了。”他被擡入了船艙，到了下午4時30分，納爾遜得知會戰已勝利的消息後說：“我感到滿意。”他親吻了哈迪艦長：“感謝上帝，我總算盡了我的職責。”然後心臟停止了跳動。
當“勝利”號正在與“敬畏”號交戰時，英艦“提米萊爾”號駛向前去，向“三叉戟”號開炮，接着又向“敬畏”號射擊。不久以後，法艦“弗高克斯”號在同英艦“貝里島”號交戰之後，又轉過來協助“敬畏”號，卻爲英艦“提米萊爾”號所抓住廝殺。
英艦“海王星”號先開始向法艦“布森陶爾”號射擊，然後再去進攻“三叉戟”號，一個半小時後，“三叉戟”號乘員戰死245人，負傷173人，這艘巨型的四層甲板戰艦遂開始下旗投降了。對於在這艘船上的景象，英艦“海王星”號上的船員巴德柯克說“我踏上這艘大船去收容俘虜，其死傷人數在三四百之間，到處都是血肉，後甲板上堆滿傷兵，有的沒有腳，有的沒有手。”
英艦“不列顛”號接着也跟上來了，其後面是“巨人”號和“征服者”號。後述兩艦夾擊“布森陶爾”號，下午2時5分，維爾納夫終於堅持不住，下令“布森陶爾”號降旗投降，維爾納夫成了英國人的俘虜。在其艦上的慘狀，“征服者”號上的英軍上尉記載：“到處都是死屍，景象非常之悽慘。死傷總數在四百人以上，多數屍體沒有腦袋。”
在“勝利”號開始作戰40分鐘後，英艦“阿賈克斯”號纔開始作戰，而“阿加門農”號還要更遲。“非洲”號、“奧利安”號在與艦隊失去聯絡後，也都相繼趕到參戰。當維爾納夫降旗投降時，納爾遜縱隊中的最後兩艘船，“米羅陶爾”號和“斯巴爾特”都還不曾參加戰鬥。
特拉法爾加海戰的最後階段是聯軍將領杜馬羅爾的反攻，這不過是勉強的如此定名而已。
杜馬羅爾的支隊處於聯軍艦隊的前衛。當下午12時30分，納爾遜鑽入了聯軍的中心之後，維爾納夫即發出了一個通令，要所有尚未參加作戰的船隻，都一律自動地投入戰鬥。杜馬羅爾對維爾納夫的通令並無反應，此後維爾納夫即再沒有注意他。半點鐘之後，杜馬羅爾仍向北航行，結果遂使前衛與中央之間產生了一個空隙。此時他仍不知發揮其主動精神，反而要求命令。維爾納夫直到下午1時50分才命令杜馬羅爾趕來支援其正受着強烈壓迫的中央部分。但是，風力非常微弱，轉變航向十分困難。等杜馬羅爾好不容易調過頭來南下時，維爾納夫已降。但杜馬羅爾還是作了最後的反擊，他把10艘軍艦分爲兩部分先後投入戰鬥。結果，第一批5艘軍艦中有4艘被迫向英艦投降，另1艘逃往加的斯。第二批5艘軍艦有1艘被迫投降，其餘4艘向南逃逸，其中包括杜馬羅爾的旗艦“恐怖”號。
作爲海戰的尾聲，下午3時30分，在海戰已經進行了2個多小時後，由迪馬努瓦海軍少將率領的聯合艦隊前衛返回了戰場，但在返回途中有兩艘自己的戰艦竟然發生相撞而退出戰鬥，面對嚴陣以待的英國艦隊，僅僅20分鐘這次反攻就告失敗。“勝利”號對掉頭逃跑的聯合艦隊進行了一次齊射，以示送行，納爾遜就在這炮聲中與世長辭。
