Được Trịnh Doanh tin cậy, Hoàng Phùng Cơ lập nhiều công lao, được phong làm trấn thủ Tuyên Quang, sau đó sang làm trấn thủ Sơn Tây[2].

Năm 1774, ông theo quận Việp Hoàng Ngũ Phúc đi đánh Thuận Hóa. Quân Trịnh thắng lợi liên tiếp. Hoàng Phùng Cơ cùng Hoàng Đình Thể thường đi đầu, lập được nhiều công trận. Khi quân Trịnh tiến đến gần Phú Xuân, chúa Nguyễn Phúc Thuần bèn sai Tôn Thất Tiệp làm thống binh quân Nguyễn, cùng quản lãnh cai đội Đặng đem quân chống cự. Hoàng Phùng Cơ và Nguyễn Tiến Khoan đi tiên phong đánh bại Tôn Thất Hiệp, cánh quân của cai đội Đặng tự tan vỡ. Quận Việp tiến đến chiếm đóng đồn Bái Đáp.

Thấy các đạo quân liên tiếp thất bại, Nguyễn Phúc Thuần sai Nguyễn Văn Chính điều các cánh quân thủy bộ. Quận Việp bí mật sai Hoàng Đình Thể và Hoàng Nghĩa Phát theo đường núi sang qua ghềnh Trầm và nghềnh Ma. Tướng giữ đồn phía Nguyễn là Tường Quan và Doãn Đức bị thua và tử trận. Hoàng Phùng Cơ và Hoàng Nghĩa Phát bắc cầu phao qua sông, thừa lúc quân Nguyễn không phòng bị, đánh dồn hai mặt kẹp lại. Nguyễn Văn Chính cố sức đánh, bị chết trận, các cánh quân Nguyễn đều tan vỡ.

Ngày Đinh mùi - tức là 28 tháng 12 năm Giáp Thìn, dương lịch là 30 tháng 1 năm 1775, quân Trịnh tiến vào Phú Xuân.