Nguyễn Nhạc vốn chỉ có ý định đánh chiếm Phú Xuân. Chiến dịch Phú Xuân kết thúc đã hoàn thành kế hoạch của Nguyễn Nhạc[15]. Sau khi làm chủ địa giới từ phía Nam sông Gianh trở vào, Nguyễn Huệ đã định sửa vùng biên cũ La Hà để chia giới hạn với Bắc Hà[16], thì Nguyễn Hữu Chỉnh lại khuyên ông nên nhân cơ hội họ Trịnh suy nhược mà tấn công ra Bắc có thể giành thắng lợi. Nguyễn Huệ quyết định phát động cuộc tấn công mới ra Thăng Long[2].

Ông để Nguyễn Lữ ở lại giữ khu vực Nam sông Gianh, đưa thư về báo cho vua Thái Đức biết và tự thống lĩnh đại đội quân thủy và quân bộ tiến ra bắc. Nguyễn Nhạc nhận được thư của Nguyễn Huệ không bằng lòng với ý định tự quyết đó, sai người từ Quy Nhơn đuổi theo ngăn lại, nhưng đến nơi thì đại quân của Nguyễn Huệ đã vượt biển đi rồi[17].

Tây Sơn đánh chiếm Thanh Nghệ và Sơn Nam

Ngày 28 tháng 6, ngoài Thăng Long nghe tin báo quân Tây Sơn đã đánh chiếm được Phú Xuân. Tuy nhiên các đại thần của triều đình Lê Trịnh lại cho rằng vì Phú Xuân vốn không phải là đất của Bắc Hà nên chỉ cần phòng giữ lấy địa giới Đàng Ngoài cũ như trước đây[2]. Nghe tin quân Tây Sơn sắp tiến ra, Trịnh Tông hạ lệnh cho Trịnh Tự Quyền làm thống tướng, đem quân lính 27 cơ tiến vào giữ lấy đầu địa giới Nghệ An để chống cự[18].

Dọc đường từ sông Gianh trở ra, Nguyễn Huệ chia làm nhiều toán quân du binh đánh chiếm các đồn trại quân Trịnh. Quân Trịnh sợ quân Tây Sơn, nhiều đồn trông thấy là bỏ chạy. Nguyễn Huệ kéo quân đến chiếm cứ lấy Thanh-Nghệ.

Trịnh Tự Quyền chuẩn bị chậm chạp, khi đem quân dời khỏi thành mới được 30 dặm, thì cánh quân Tây Sơn của Nguyễn Hữu Chỉnh đã đến Vị Hoàng[2][19].

Sáng sớm ngày 11 tháng 7 năm 1786[20], quân Trịnh bị bất ngờ vì quân Tây Sơn tiến quá nhanh, đều tan vỡ bỏ chạy[21].

Chiếm xong Vị Hoàng, Nguyễn Hữu Chỉnh báo cho Nguyễn Huệ ở Thanh Hóa biết và sai một tỳ tướng mang một toán quân tiến về Thăng Long.

Trịnh Khải nghe tin mất Vị Hoàng, lại lệnh cho Trịnh Tự Quyền tiến đến chống cự ở Kim Động, một mặt lệnh cho Đỗ Thế Dận đang trấn thủ Sơn Nam đem quân bộ tiến đến đóng ở bờ sông Phù Sa, rồi sai Đinh Tích Nhưỡng đốc lãnh các quân thủy đạo tiến thẳng đến giữ ở cửa Luộc. Các tướng Trịnh hội hợp binh lính đón đánh.

Ngày 17 tháng 7 năm 1786[22], Nguyễn Huệ tiến đại quân đến Vị Hoàng. Ông dùng kế lừa quân Trịnh, cho làm hình nộm để lên thuyền để dụ quân Trịnh bắn tên đạn ra trước cho hết tên đạn rồi sau đó mới tấn công. Quân Trịnh bị mắc lừa, mất khí thế. Quân Tây Sơn dùng toán quân nhanh nhẹn sắc bén xông thẳng vào hàng ngũ quân Đỗ Thế Dận, quân của Thế Dận kinh sợ tan vỡ. Toán quân của Đinh Tích Nhưỡng cũng bỏ thuyền chạy. Toán quân của Trịnh Tự Quyền nghe tin, cũng sợ hãi rối loạn rồi tự tan vỡ. Quân Tây Sơn đánh phá chiếm được trấn Sơn Nam.

Nguyễn Huệ tranh thủ sự ủng hộ của người dân Bắc Hà, bèn phát tờ hịch đi các lộ, bày tỏ danh nghĩa "diệt Trịnh, phò Lê". Sáng ngày 19 tháng 7, Nguyễn Huệ thúc đại quân từ Sơn Nam đánh ra Thăng Long.

Tây Sơn tiến ra Thăng Long

Sau khi trấn Sơn Nam đã bị quân Tây Sơn chiếm được, kinh thành Thăng Long rung động. Trịnh Tông theo kế của Trần Công Xán, bố trí phòng thủ Thăng Long như sau:

• Cho đội thủy quân tứ thị là đội thủy quân duy nhất còn lại ở kinh thành tới dàn thuyền chiến ở bến sông Thúy Ái
• Hoàng Phùng Cơ dàn quân đóng ở hồ Vạn Xuân;
• Trịnh Tông tự mình đem hết quân trong thành, bày trận ở bến Tây Long, có 100 voi chiến[2].

Trong tình thế nguy cấp, quân Trịnh vẫn không cảnh giác, cho rằng quân Tây Sơn chưa thể tiến đến Thăng Long nhanh chóng[23].

Nhân lúc gió đông nam thổi mạnh, Nguyễn Huệ cho quân thủy giương buồm tiến đến kinh thành Thăng Long. Sáng ngày 21 tháng 7, thuyền quân Tây Sơn xuôi chiều gió, kéo ập đến bến Nam Dư. Về phía quân Trịnh, quân thủy tan vỡ trước. Hai viên thiên tướng là Nguyễn Trọng Yên và Ngô Cảnh đứng ở mũi thuyền chống cự, bị quân Tây Sơn giết chết.

Cánh quân Thúy Ái bị tiêu diệt. Quân Tây Sơn kéo lên bộ, tiến tới hồ Vạn Xuân. Toán quân của Phùng Cơ không kịp dàn thành hàng ngũ, bỏ chạy tan vỡ tứ tung. Thủ hạ và 6 người con đều bị tử trận, Phùng Cơ cùng 2 người con cướp lấy đường mà chạy.

Quân Tây Sơn tiến đến bến Tây Long[24]. Trịnh Tông cầm cờ lệnh chỉ huy, nhưng quân sĩ không ai chịu tiến lên. Quân Tây Sơn đổ đến chém giết, quân Trịnh tan vỡ lung tung. Trịnh Tông quay voi trở về thành thì thấy ngoài phủ đã cắm hàng loạt cờ Tây Sơn, bèn dẫn tượng binh hướng theo đường Sơn Tây chạy trốn.

Ngày 21 tháng 7 năm 1786, Nguyễn Huệ dẫn đại quân tiến vào Thăng Long, đóng quân ở phủ chúa Trịnh.

Khi Trịnh Khải chạy đến xã Hạ Lôi, huyện Yên Lãng, quân sĩ tan tác hết. Trịnh Khải gặp Lý Trần Quán là người trước đây vâng lệnh đem tờ hịch đi chiêu mộ nghĩa binh. Lý Trần Quán nhờ người học trò của mình là Nguyễn Trang hộ vệ Trịnh Tông. Nguyễn Trang phản lại Trần Quán, bắt Trịnh Tông giải đi nộp quân Tây Sơn. Trên đường đi, Trịnh Tông dùng dao cắt cổ tự tử. Nguyễn Huệ sai sắm áo quan khâm liệm mai táng cho Trịnh Tông.

Tiến vào Thăng Long, Nguyễn Huệ ổn định tình hình kinh thành. Sáng hôm sau, Nguyễn Huệ vào yết kiến vua Lê Hiển Tông ở điện Vạn Thọ, dâng sổ sách binh và dân để tỏ rõ ý nghĩa nhà vua nhất thống. Lê Hiển Tông phong Nguyễn Huệ làm Uy quốc công.