Nhân lúc quân Nguyễn ở Thuận Hóa bị quân Trịnh đánh bại dồn dập, thủ lĩnh Tây Sơn là Nguyễn Nhạc mang quân hai đường thuỷ bộ ra đánh Quảng Nam. Nguyễn Phúc Thuần bị đánh kẹp hai mặt, theo đường biển bỏ chạy vào Gia Định. Quân Trịnh và quân Tây Sơn cùng tiến, gặp nhau và đụng độ tại Quảng Nam.

Ngày 9 tháng 3 năm 1775, Hoàng Ngũ Phúc đánh phá đồn Trung Sơn mới về tay quân Tây Sơn và chiếm được đồn này. Ngày 22 tháng 3, quân Trịnh tiến đến đóng đồn ở Cẩm Lệ. Nguyễn Nhạc và Tập Đình mang quân lội qua suối Trà Khê, xông vào hỗn chiến với quân Trịnh. Quân Trịnh chưa kịp bày súng nạp đạn, phải mang gươm giáo ra giao chiến. Hoàng Ngũ Phúc sai Hoàng Đình Thể, Hoàng Phùng Cơ cùng hơn 10 tướng thúc voi vào trận, khí thế rất hăng. Nguyễn Nhạc và Tập Đình không chống nổi, phải men theo khe rút chạy[3].

Ngày 24 tháng 3, tướng Trịnh là Hoàng Đình Thể tiến đến Cẩm Sa. Nguyễn Nhạc cùng Tập Đình và Lý Tài chia làm 5 đường đón đánh. Ban đầu, quân Tây Sơn chiếm ưu thế, giết được Vũ Quế bá bên quân Trịnh. Giữa lúc cam go, Hoàng Phùng Cơ cùng Hoàng Đình Thể đem kỵ binh nhanh nhẹn vào phá trận. Hoàng Ngũ Phúc nhân thấy quân Tập Đình yếu thế bèn lùa quân ồ ạt tiến đánh. Quân Tây Sơn bị voi giày hoặc bị giết khá nhiều, tan vỡ bỏ chạy[3].

Quân Trịnh thắng trận, Nguyễn Nhạc phải rút lui về Quy Nhơn, sau đó xin hàng Trịnh, nhận làm tiền khu đi đánh chúa Nguyễn.

Giữa năm đó, do quân Trịnh bị dịch bệnh, ông cùng quận Việp rút khỏi Quảng Nam; sau đó dời khỏi Thuận Hóa trở về Thăng Long. Quận Việp qua đời vì bệnh, còn Hoàng Phùng Cơ được gia phong làm Tư không, Thạc quận công, tiếp tục trấn thủ Sơn Tây. Từ đó mọi người thường gọi ông là quận Thạc.