Jedné měl velet jeho zástupce admirál Collinwood, druhé on. Collingwoodova část se měla vklínit za dvanáctou lodí francouzské formace, počítáno od zadu a roztrhnout ji na dvě části. Nelson se svým oddílem hodlal zaútočit na střed formace. Určil tak hlavní strategii, ale na rozdíl od zaběhnutého – zvykového způsobu velení nechtěl udílet rozkazy přímo v průběhu bitvy a dal tím svým podřízeným určitou volnost. Dosud bylo zvykem seřadit lodě do řady paralelní s řadou nepřátelských lodí a bitva se pak rozdrobila na souboje jednotlivých dvojic lodí.
Spojenci měli v Cádizu třicet tři řadové lodě – z toho osmnáct francouzských a patnáct španělských, kromě toho tři francouzské fregaty a dvě brigy. Nelson měl dvacet sedm plavidel a i děl měl nižší počet. Střetnutí se odehrálo u mysu Trafalgar, jižně od Cádizu a severně od Gibraltaru.
Před bitvou psali všichni, jako vždy, dopisy domů. Nelson napsal dopis Emmě a Horatii a také napsal závěť, v níž prosí krále a vládu aby se v případě jeho smrti postarali o Emmu a Horatii. Na palubu 21. října 1805 vyšel ve slavnostní uniformě se všemi řády připjatými na hrudi. Bitva začala za silného vlnobití a za větru, který znesnadňoval francouzům manévrování. Dva anglické oddíly se blížily současně k flotile protivníka, která byla původně rozestavena do přímky, ale prohnula se do tvaru půlměsíce. Vlajková loď Victory najela přímo do středu linie a zahájila útok. První salva z Victory zničila na nepřátelské lodi Bucentaur dvacet děl a zabila čtyři sta mužů. Nelson,který stál jako vždy na palubě, byl střelen vojákem z ráhen lodi Redoutable. Kulka prošla levým ramenem, plícemi a páteří a uvízla v zádových svalech. Nelson při zásahu prohlásil: „Tak mne konečně dorazili.“
Byl ihned snesen do podpalubí k ostatním raněným. Bylo jasné, že nepřežije. Do poslední chvíle se nechal kapitánem Hardym informovat o vývoji bitvy. Boj pokračoval. Francouzi se vzdali teprve hodinu po Nelsonově zranění. Francouzský velitel Villeneuve spustil vlajku a nechal se zajmout. Bylo zajato patnáct lodí. V deníku dozorčího Victory bylo zapsáno:
„Ojedinělá střelba trvala až do půl páté odpoledne, kdy poté, co obdržel zprávu o vítězství, zemřel na následky zranění lord vikomt Nelson.“

Francouzi a Španělé ztratili v bitvě zhruba sedm tisíc mužů. Angličanů padlo sedmnáct set. Vítězství u Trafalgaru zajistilo Anglii místo světové námořní velmoci.