Lực lượng Tây Sơn ngày càng lớn mạnh. Sau khi đánh bật Nguyễn Ánh ra khỏi Đại Việt, Tây Sơn tính tới việc ly khai Trịnh. Theo đề nghị của tướng Bắc Hà vào hàng là Nguyễn Hữu Chỉnh, năm 1786 Nguyễn Nhạc cử em là Nguyễn Huệ ra đánh Phú Xuân.

Tạo Quận công Phạm Ngô Cầu vốn không chuyên tâm giữ thành, chỉ chuyên làm việc buôn bán, không sắm sửa khí giới phòng bị lương thực. Hoàng Đình Thể bất bình vì việc đó, do vậy hai tướng bất hòa nhau. Nhân đấy, Văn Nhạc phong cho em là Văn Huệ làm Long nhương tướng quân, chỉ huy các quân thủy, quân bộ, Vũ Văn Nhậm đem tả quân, Nguyễn Hữu Chỉnh đem hữu quân, chia đường cùng tiến, qua đèo Hải Vân. Tướng giữ đồn là Hoàng Nghĩa Hồ ra đánh, bị chết. Nhân thế thắng, quân của Nguyễn Huệ xông thẳng đến Thuận Hóa.[6]

Nguyễn Hữu Chỉnh dùng kế ly gián, viết thư dụ ông đầu hàng, nhưng cố tình gửi nhầm cho Phạm Ngô Cầu. Ngô Cầu nhận thư đã có ý hàng Tây Sơn. Nguyễn Huệ lại sai người giả làm thầy bói đến nói với Cầu phải lập đàn giải hạn để qua tai họa. Ngô Cầu nghe theo, chỉ tập trung vào việc giải hạn. Quân Tây Sơn ập đến đánh thành. Lúc ấy, Ngô Cầu đương đặt đàn chay lớn, chợt nghe tin giặc kéo đến, lúng túng, không biết thi thố cách nào.[6]

Trước đây, vì bức thư ly gián của Hữu Chỉnh, nên Ngô Cầu và phó tướng Hoàng Đình Thể vẫn nhị tâm với nhau, sĩ tốt sinh ra nghi ngờ lười biếng, không ai có lòng chiến đấu. Gặp lúc ấy nước thủy triều lên mạnh, giặc bèn cho châu sư ồ ạt tiến sát đến dưới thành. Hoàng Đình Thể, một mình đem quân bản bộ đón đánh, thuốc súng và đạn đều hết. Ngô Cầu đóng cửa thành không cứu viện. Đình Thể cùng hai người con và tì tướng là Vũ Tá Kiên dựa vào thành lũy để bày trận, đem hết sức lực chiến đấu hăng hái; hai người con phóng ngựa ra trận giết giặc, ngựa bị què, bèn đánh lối bộ chiến, bị trọng thương, chết tại mặt trận. Đình Thể cùng Tá Kiên đều chết, Văn Huệ lùa quân ồ ạt tiến lên.[6] (Hoàng Đình Thể cùng với hai con cố sức đánh, thúc voi xông ra giữa sông rồi bị chết[7]).

Ngô Cầu mở cửa thành xe quan tài ra hàng, đốc thị Nguyễn Trọng Đang chết ở trong đám loạn quan. Quân Tây Sơn vào thành, chém giết thả cửa, hơn vài vạn tướng sĩ quân Trịnh đóng ở đồn, chỉ còn được vài trăm người qua sông trở về Bắc Hà mà thôi. Do đấy tướng đóng ở các đồn Cát Doanh và Động Hải nghe được phong thanh đều chạy trốn.[6] Lính thú trong thành cùng đàn ông đàn bà chết đến hơn 3 vạn người! [8]

Xác người nhiều đến nỗi sông Linh Giang sau này đổi tên thành sông Hương Giang.[9]

Không lâu sau, Nguyễn Huệ tiến ra bắc đánh chiếm Thăng Long, tiêu diệt chúa Trịnh.