Le 1er août 1798, lors de la bataille navale d’Aboukir, il commande l’arrière-garde de la flotte française. Après le désastre, il fuit à Malte avec les seuls bâtiments français intacts, deux vaisseaux de ligne et deux frégates. Les Anglais l’y font prisonnier. Au retour de sa première captivité, il prend le commandement de la flotte basée à Tarente (avril 1801) puis de l’escadre de Rochefort (1803). En mai 1804 il commande la flotte de Toulon avec le grade de vice-amiral.
Bonaparte lui propose alors un plan audacieux: attirer aux Antilles la flotte anglaise qui empêche tout débarquement en Angleterre et revenir prendre le contrôle de la Manche. Villeneuve quitte donc Toulon pour les Antilles, puis, là bas, met cap sur l’Europe. Mais les Anglais le retrouvent au Cap Finisterre, au large de la Galice, le 22 juillet 1805, et il replie sa flotte sur Cadix.
Après des semaines d’inaction, il tente une sortie. Ce sera la désastreuse bataille de Trafalgar, le 21 octobre 1805, où les 18 vaisseaux français et 15 vaisseaux espagnols, alliés de la France, seront écrasés par les 27 vaisseaux de Nelson. Villeneuve est à nouveau prisonnier. Lorsqu’il apprend la défaite, Napoléon, furieux, fustige la “conduite infâme” de son amiral et se laisse aller à le traiter de lâche. Après six mois en Angleterre, Villeneuve, libéré sur parole, arrive à Rennes.
Le 21 avril 1806, Villeneuve, dans l’hôtel où il séjourne, reçoit un important courrier. Sa lecture le trouble. Le 22 son valet frappe plusieurs fois sans réponse à sa porte. Inquiet, il n’ose la forcer, et fait appel à la police. Un serrurier ouvre la porte. Si la chambre est vide, ils remarquent sur la table des papiers bien mis en évidence, dont le courrier reçu la veille. Et dans le cabinet de toilette, Villeneuve git au sol, sur le dos, les bras en croix, le gilet de flanelle ouvert, et sur le torse ainsi dénudé, couvert de sang, un manche noir de couteau fiché dans le cœur. Sur sa table, à côté de plusieurs paquets contenant de l’argent destiné aux domestiques, une lettre d’adieu à son épouse.
Tout cela ressemble bien à un suicide et Napoléon, à Sainte-Hélène, confiera à O’Meara: “J’ai donné l’ordre à Villeneuve de rester à Rennes, il s’y est renseigné sur l’anatomie et s’est piqué d’une stylet vers le cœur” et “Villeneuve, lorsqu’il fut fait prisonnier par les Britanniques, fut tellement affligé de sa défaite qu’il étudia l’anatomie pour se détruire lui-même. À cet effet, il acheta plusieurs gravures anatomiques du cœur, et les compara avec son propre corps, pour s’assurer exactement de la position de cet organe. Lors de son arrivée en France, je lui ordonnai de rester à Rennes et de ne pas venir à Paris. Villeneuve craignant d’être jugé par un conseil de guerre, pour avoir désobéi à mes ordres, et conséquemment avoir perdu la flotte (car je lui avais ordonné de ne pas mettre à la voile et de ne pas s’engager avec les Britanniques), résolut de se détruire. En conséquence, il prit ses gravures du cœur, les compara de nouveau avec sa poitrine, fit exactement au centre de la gravure une longue piqûre avec une longue épingle, fixa ensuite cette épingle, autant que possible, à la même place, contre sa poitrine, l’enfonça jusqu’à la tête qui pénétra le cœur et il expira. Lorsque l’on ouvrit sa chambre, on le trouva mort; l’épingle était dans sa poitrine, et la marque faite dans la gravure correspondait à la blessure de son sein. Il n’aurait pas dû agir ainsi, c’était un brave, bien qu’il n’eût aucun talent.”
Mais la vox populi parle d’assassinat. Six coups de couteau dans la poitrine, est-ce possible ? On répliquera que c’est un couteau de table, que la lame n’est pas acérée, que Villeneuve a mal répété l’emplacement du cœur… La police locale ouvre quand même une enquête, “ayant été instruit que cette mort est le résultat de plusieurs coups de couteau: que, dans pareille circonstance, il est nécessaire d’épuiser toutes les preuves pour connaître parfaitement les causes ou les auteurs d’un pareil événement, nous avons rendu plainte d’office contre tous auteurs, fauteurs ou complices de ce meurtre.”
Villeneuve a des obsèques de première classe, en l’église Saint-Germain, mais personne ne saura jamais où il a été inhumé, le seul élément connu étant que “le corps fut inhumé dans le cimetière commun”.
Son nom est gravé sur l’Arc de Triomphe, 13e colonne, pilier est.