Apenas una semana después de haber tomado Gibraltar, Rooke recibió un aviso de la inteligencia británica de que una gran flota francesa se aproximaba. Dejando la mitad de sus marines para defender la nueva plaza conquistada, partió de inmediato con toda la flota anglo-holandesa para enfrentarse a la franco-española. La escuadra francesa había salido de Tolón y en Málaga se habían unido algunas galeras españolas mandadas por el conde de Fuencalada.
El resultado del combate que siguió fue indeciso. Ningún navío fue hundido ni capturado en los dos bandos, y todo se redujo a un intercambio de disparos que dejó importantes bajas en ambos bandos. El escuadrón del Almirante Byng, a consecuencia de haber gastado demasiada munición en la toma de Gibraltar, se vio forzado a abandonar la línea de batalla.
A lo largo del día, la flota franco-española se mantuvo a distancia de la flota aliada. A la mañana siguiente, los franco-españoles habían desaparecido. Rooke temió que la flota enemiga le había sobrepasado por la noche y había llegado a Gibraltar. En realidad, los franceses volvieron a Toulon reclamando una gran victoria naval, pero en la práctica, resultó una victoria estratégica para los aliados, ya que desde ese momento la flota francesa no volvió a enzarzarse en otra batalla naval de envergadura en lo que restó de guerra.
La fuerza naval franco-española la componían 50 navíos y 6 fragatas, con un total de 24.275 hombres. La flota anglo-holandesa consistía en 53 navíos, 6 fragatas y 7 cañoneros, con un total de 22.543 hombres. Por parte francesa hubo 1.600 muertos y heridos, y por parte aliada hubo 3.000 muertos y heridos.
En 2010 se ha publicado un libro específico sobre esta batalla naval, de los profesores Francisco Montoro Fernández y Miguel Ranea Fernández, bajo el título Batalla naval de Vélez-Málaga (24 de agosto de 1704), testimonios.
En esta batalla participó (y perdió una pierna) siendo un muchacho Blas de Lezo Olavarrieta, que luego sería almirante de la Armada Española.
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