Nguyễn Hữu Chỉnh có công cứu vua Lê, ngày càng cậy quyền. Các tướng theo chúa Trịnh cũ căm ghét Chỉnh, muốn nhân danh giúp vua Lê để trả thù.

Tháng 5 năm 1787, Dương Trọng Tế bại trận bị Chỉnh bắt và bị giết.

Tháng 8 năm 1787, Hoàng Phùng Cơ ở Sơn Tây cũng muốn chống lại Hữu Chỉnh, bèn truyền hịch đi các lộ Quảng Oai, Quốc Oai, nêu rõ danh nghĩa dấy quân để giết Hữu Chỉnh.

Hữu Chỉnh sai tướng là Nguyễn Duật đón đánh ở xã Đại Phùng, còn mình thì quản đốc đại quân đi tiếp chiến. Hoàng Phùng Cơ giao chiến với Nguyễn Duật. Duật thua trận, kéo quân rút lui. Con Phùng Cơ là Hoàng Gia khuyên ông nên nhân đà thắng lợi, ruổi thẳng đến kinh thành; nhưng ông không nghe theo, cho rằng việc bắt Hữu Chỉnh rất dễ dàng[6].

Nguyễn Duật chạy được nửa đường, ngoái nhìn không thấy quân Phùng Cơ đuổi theo, liền thu quân, dàn thành trận thế quay trở lại đánh. Quân Phùng Cơ đang ăn, không kịp trở tay, đã tan chạy. Hoàng Phùng Cơ cùng con trai trơ trọi trên mình voi, cố sức chiến đấu, bị quân của Duật bao vây khắp bốn mặt. Đúng lúc đó Nguyễn Hữu Chỉnh lại mang quân ập đến, thúc quân Thiết đột bắn tập trung vào Hoàng Phùng Cơ.

Ông bị ngã từ trên bành voi nhào xuống, bị quân Hữu Chỉnh bắt và điệu về kinh đô. Nguyễn Hữu Chỉnh sai luận tội ông phải xử chém. Khi sắp đem chém, Lê Chiêu Thống cho rằng năm trước khi cung vua bị Nguyễn Mậu Nễ vây đánh, Hoàng Phùng Cơ đã có công đánh lui Mậu Nễ, vì vậy nên cho Phùng Cơ được xử bằng thuốc độc. Hoàng Phùng Cơ bèn uống thuốc độc tự vẫn.

Thi hài ông được đưa về Sơn Tây an táng, gia quyến không bị tội. Dân chúng trấn Sơn Tây vẫn kính trọng ông.

Không rõ năm đó Hoàng Phùng Cơ bao nhiêu tuổi. Tính từ khi ông theo quận He chống triều đình đến khi chết tại Thăng Long, Hoàng Phùng Cơ hoạt động trên 40 năm từ thời Cảnh Hưng đến thời Chiêu Thống.