Inden slagets begyndelse foreslog Nelson et forebyggende angreb med det formål at true Danmark-Norge til overgivelse uden kamp. Parker, der var øverstkommanderende, modsatte sig dog og de engelske krav blev derefter fremsat af en enkelt fregat. Danmark-Norge nægtede at forhandle og slaget kunne begynde.
Københavns Red var yderst kompliceret at navigere i og var tæt forsvaret af Danmark-Norge. Men Nelson tog kommando over tolv af de engelske linjeskibe med de mindst dybe skrog og kunne dermed liste sig gennem de ukendte lavvandede områder. Således tog Nelson initiativet til slagets begyndelse, selvom de fire største skibe løb på grund (, Som støtte til den forreste engelske deling lå en række , der uforstyrret kunne bombardere København.
Efter fire timers intens kamp var slaget ikke kommet nærmere en afgørelse. De resterende engelske skibe lå forankret ved stævnen kun 200 meter fra den danske forsvarslinje, der inkluderede både skibe og det tilsyneladende uovervindelige Trekroner-batteri, som aldrig indstillede beskydningen af englænderne. Alligevel var bombardementet fra begge sider stadig intenst.
Under disse kampe signalerede Parker til Nelson, at han skulle trække flåden tilbage, men Nelson, der var fast indstillet på at sejre, ignorerede signalet. Det var ved denne lejlighed, at Nelson efter sigende satte kikkerten for det blinde øje og sagde, at han ikke kunne se signalet. Kritikere har efterfølgende forsvaret Parker og hævdet, at Parker aldrig gav ordre til retræte, men i virkeligheden blot gav Nelson tilladelse til at trække flåden ud af kampen, hvis han følte, at det dansk-norske forsvar var for stor en mundfuld.
Men samtidig sendte Nelson kurerer af sted bærende det hvide flag, som ikke kunne undgås at ses af Kronprins , der overværede slaget fra Citadellets volde. Kurererne afleverede en besked i hvilken Nelson truede med at afbrænde alle tilfangetagne batterier, stykpramme og blokskibe uden at være i stand til ”at redde de tapre danske sjæle, der forsvarede dem”. Beskeden ankom på et tidspunkt, hvor en række danske skibe allerede havde måttet se sig slået og var ukampdygtige.
Nelson forklarede senere, at brevet blev skrevet på grund af hans medfølelse for de danske, men danske historikere hævder til stadighed, at beskeden blot var en krigslist, der i virkeligheden var et desperat forsøg af Nelson på at standse slaget. De samme historikere hævder også, at Nelson rent faktisk ikke havde erobret eller tilfangetaget et eneste dansk-norsk skib, da han sendte brevet. Derudover støttes påstandene af det faktum, at tre engelske slagskibe havde mistet deres manøvredygtighed og var indenfor rækkevidde af Trekroner-batteriet. Men da kronprinsen læste brevet, accepterede han straks en våbenhvile – uden at konsultere de dansk-norske kommandører, .
Eftersom den dansk-norske flåde var blevet så hastigt organiseret, bestod den af et stort antal af frivillige, der kun havde lidt eller ingen flådeerfaring, og derfor er det aldrig blevet fastlagt præcist, hvor store de dansk-norske tab var. Tabstallene varierer fra 1.135 til 2.215 døde og sårede. Den officielle rapport fra Olfert Fischer anslår, at mellem 1.600 og 1.800 danskere og nordmænd mistede livet eller blev sårede. Ifølge de britiske logbøger og rapporter, som Nelson og Parker sendte til det britiske admiralitet, lød de engelske tab på 264 dræbte og 689 sårede.