Los británicos, bajo el mando del contralmirante Sir James Saumarez, intentaron eliminar al escuadrón francés antes de que pudiera llegar a Cádiz y formar una fuerza lo suficientemente poderosa como para abrumar a Saumarez y lanzar ataques contra las fuerzas británicas en el Mar Mediterráneo.

Mientras los escuadrones británico y francés realizaron reparaciones apresuradas, la flota francesa y española en Cádiz se preparó para una misión de rescate, un escuadrón pesado que llegó a Algeciras el 12 de julio.

Como resultado, la Royal Navy británica se hizo dominante en el mar Mediterráneo e impuso bloqueos en los puertos franceses y españoles de la región, incluidas las importantes bases navales de Toulon y Cádiz.

El almirante, un veterano de la batalla del Nilo, reunió inmediatamente sus barcos y navegó hacia el este para investigar el asunto.

[7]​ Tenía solo seis barcos de línea y uno de ellos, el HMS Superb bajo el mando del capitán Richard Goodwin Keats, estaba en servicio separado en la desembocadura del río Guadalquivir junto al bergantín HMS Pasley.

Sin embargo, después de escuchar un informe inexacto de un barco mercante estadounidense que Linois ya había zarpado desde Algeciras, Keats razonó que los franceses habrían girado hacia el este, hacia Toulon y, por lo tanto, sería demasiado tarde para atraparlos.

[8]​ Mientras Saumarez navegaba hacia el este, hacia Algeciras, contra el viento, las ya fuertes defensas en Algeciras se aumentaron para encontrarlo por lo que Linois trazó sus barcos en una línea de batalla a través del puerto, con el buque insignia Formidable en el extremo norte, seguido de Desaix y con el Indomptable hacia el sur, los barcos se separaron unas 500 yardas (460 m) uno del otro.

La fragata Muiron estaba estacionada en aguas poco profundas al sur de Indomptable.

[12]​ Se dieron órdenes para que el HMS Venerable del capitán Samuel Hood liderara el ataque como el oficial con más experiencia en estas aguas, y su embarcación fue la primera en penetrar en la bahía alrededor de Cabrita Point.

[14]​ Los barcos franceses se unieron al fuego tan pronto como el Pompee y el Audacious estuvieron a su alcance; primero el Muiron y luego los barcos de línea que atacaban a los buques británicos que se acercaban.

[16]​ Los franceses y los españoles respondieron con cañonazos pesados contra los barcos anclados con lo que el enfrentamiento duró media hora hasta que el Formidable dejó de disparar temporalmente y comenzó a virar lentamente hacia la costa.

[18]​ A las 09:15 comenzó a llegar rezagada la parte trasera del escuadrón británico, liderada por el buque insignia HMS Caesar, que anclaba delante de Audacious y al costado del Venerable antes de abrir fuego contra el Desaix.

A las 09:20, el HMS Hannibal, buque de tercera clase de 74 cañones en línea bajo el mando del capitán Solomon Ferris se unió a la acción, que estaba anclando delante del HMS Caesar.

[19]​ El capitán Jahleel Brenton desde el Caesar le sugirió a Saumarez que si negociaba con los españoles podrían permitirle tomar los barcos franceses a cambio de un cese de la acción, pero Saumarez rechazó la idea como prematura.

La maniobra fue inicialmente exitosa, pero a las 11:00, cuando pasaba por la «Torre de Almirante», Hannibal encalló en tierra.

Sin embargo, hubo una ligera brisa terrestre del noroeste que inicialmente favoreció al escuadrón francés superado y maltratado y Linois ordenó de inmediato a sus barcos que cortaran sus cables de anclaje y usaran la brisa para maniobrar lentamente hacia posiciones defensivas más fuertes cerca de la costa.

[18]​ El Spencer y el Venerable, a quienes se les ordenó unirse al ataque, no pudieron ocupar sus posiciones previstas debido a la ausencia de viento, el Venerable perdió su palo de mesana por un disparo francés mientras Hood intentaba usar su nave.

[18]​ Al norte de este enfrentamiento, Pompée y Hannibal estaban atrapados bajo el fuerte fuego del Formidable anclado y una serie de baterías y cañoneras españolas; ambas naves sufrieron graves daños sin poder responder de manera efectiva ya que sus costados principales ahora estaban lejos del enemigo.

[23]​ A continuación los soldados franceses y españoles irrumpieron en el barco, y el cirujano del Hannibal informó más tarde que varios hombres heridos fueron pisoteados hasta morir cuando los equipos de abordaje intentaron apagar los incendios.

Se enviaron barcos desde Gibraltar con carpinteros desde los astilleros para efectuar reparaciones en el Hannibal y Dundas tomó al HMS Calpe y regresó a la bahía para brindar asistencia, y fue atacado intensamente antes de retirarse cuando cometió su error, aunque no antes de que varios de los barcos hubieran sido capturados por los franceses cuando sus tripulaciones abordaban el Hannibal.

Los tres barcos franceses de línea resultaron dañados: Saumarez creía que los barcos franceses "no prestarían servicio" después de la batalla, aunque pronto se comprobó que estaban equivocados.

[33]​ El escuadrón franco-español fue seguido por Superb, que luego se unió a Saumarez en Gibraltar.

[36]​ La victoria francesa sobre una fuerza británica significativamente más fuerte fue un evento inusual en la guerra durante el cual la Royal Navy había dominado el mar.