Tướng Tây Sơn là Trần Quang Diệu nghe tin Bình Định đã mất, vội đem lính thủy bộ đến mưu toan chiếm lại. Bấy giờ Võ Tánh có ý nghi Lê Chất có bụng phản phúc, bèn giả tờ chiếu sai Chất đem lính bộ về Gia Định và trình bày việc ấy cho Nguyễn vương được biết. Nhờ đó mà Lê Chất thoát được nạn, bởi vì sau đó Trần Quang Diệu đã thu phục được Quy Nhơn năm 1801, và Võ Tánh cùng Ngô Tùng Châu đều chết trong chiến dịch lần đó.

Năm Canh Thân (1800), Nguyễn vương đem quân cứu Bình Định, Chất phụng mệnh quản lĩnh quân tiền đạo tiến đến núi Ải Thạch. Quân Tây Sơn từ trên núi bắn súng xuống, Chất bị trúng đạn bị thương nhưng vẫn cố đánh, đẩy lùi được giặc, rồi truy khích theo đến La Thai. Mỗi khi giao chiến, Chất đều liều chết mà đánh. Khi đó thế quân Tây Sơn còn mạnh, lại có tướng đã về hàng là Từ Văn Chiêu lại trở cờ về với Tây Sơn, khiến tướng hiệu tả đồn cũng nhiều người trốn đi, quân tình sợ hãi. Chất trong lòng không yên, làm tờ biểu tâu với Nguyễn Ánh. Nguyễn Ánh dụ rằng[2]:

Vua tôi gặp gỡ tự xưa vốn khó, ngươi đến hàng ta, ta đối ngươi bằng lòng thành tín, ngươi cũng đem lòng thành tín thờ ta, những tôi cũ nước ta, chắc cũng chả qua thế thôi, nay ngươi vâng mệnh đánh giặc cố gắng không tiếc thân, ta đã biết rồi, thực đáng khen, trong bộ khúc hoặc có đứa tình riêng nhớ nhà quá, mà trốn về, ta cũng không để ý. Ngươi chớ sợ.

Chất nghe lời ấy càng cảm động cố gắng đánh giặc. Nguyễn Ánh cũng thường sai sứ đến quân yên ủi hỏi han Chất, và cho người thăm nom hỏi hạn gia quyến Chất ở Gia Định.

Năm Tân Dậu (1801), Tham đốc nhà Tây Sơn là Phạm Văn Điển đánh Phú Yên, giết tướng Nguyễn là Lưu Tiến Hòa, và cho lính mai phục chẹn đường chuyển lương của nhà Nguyễn. Nguyễn vương bèn sai Chất tiến đánh, phá tan quân giặc ở Hội An, từ đó đường chuyển lương được hanh thông[2].

Mùa hạ năm đó, Nguyễn vương đích thân đem thủy sư vượt biển đánh Phú Xuân, sai Chất cùng Lê Văn Duyệt lĩnh tiền phong, gặp phò mã của Quang Trung là Nguyễn Văn Trị phòng giữ ở núi Hán Môn. Lê Chất bèn kế cho Lê Văn Duyệt đem quân lên bộ đánh úp đằng sau, vào được cửa biển Tư Hiền. Vua Tây Sơn là Quang Toản (Cảnh Thịnh) chạy trốn ra Bắc Thành. Nguyễn vương sai Lê Chất đem bộ binh, Nguyễn Văn Trương dẫn thủy binh đuổi theo, nhưng khi quân của nhà Nguyễn đến châu Nam Bố Chính thì Quang Toản đã sang sông đi rồi. Chất dẫn quân về, mang theo 2 quả ấn lấy được. Trong các tướng có người nói Lê Chất tưởng nhớ đến chủ cũ, nên không hết lòng, đánh trống đi thong thả để cho Quang Toản trốn thoát, là bởi người chứ không phải bởi trời, nhưng Nguyễn vương vẫn tin tưởng ông.

Trần Quang Diệu đương ở Bình Định nghe tin quân nhà Nguyễn tiến đánh Phú Xuân, sai Tư khấu là Định đem 5000 quân về ứng cứu. Vương sai Chất và Duyệt đón đánh, bắt được đồ đảng là Lê Văn Từ, các binh lính đều đầu hàng. Lê Văn Từ nguyên là con trai của Lê Trung, anh vợ Lê Chất. Từ ngày Từ đầu hàng, những quan lại của Tây Sơn trốn tránh cũng theo đó mà ra thú rất nhiều. Hơn 10 ngày sau, ông cùng Lê Văn Duyệt và bọn Tống Viết Phước đem quân vào cứu Bình Định, khi đến Quảng Ngãi phá tan một cánh quân Tây Sơn ở Trà Khúc, lại tiến đến đóng đồn ở Thanh Hà. Khi đó Lê Văn Duyệt thường lấy khí thế ức hiếp người ta, tướng sĩ đều sợ. Lê Chất tự nghĩ mình mới về hàng, nên uốn mình nghe theo Duyệt, Duyệt cũng trọng Chất là người có mưu lược, hai bên mới kết giao với nhau, dần trở nên thân thiết[2].

Bấy giờ đại quân nhà Nguyễn tiến đến sông Gianh, Chất xin với Duyệt để về Phú Xuân đợi sai khiến, Nguyễn Ánh dụ lưu Chất ở lại và nói rằng

Ngươi cùng Duyệt cầm quân đánh giặc gánh nặng một phương ta đã yên lòng, ngươi nên cùng Duyệt lấy nghĩa giao nhau, chớ lấy khí thế làm cao thấp, chớ lấy tài năng làm hơn kém, đồng tâm mưu toan, làm xong công việc mới là tôi của xã tắc, của báu của nhà nước vậy.F

Mùa thu năm 1801, Lê Chất được phong tước Quận công[8], chia quân theo đường rừng Bình Định quanh ra sau lưng giặc xem chỗ yếu hại lập đồn cùng với quân Nguyễn Văn Thành hợp lại để bức bách giặc, giặc bỏ thành trốn, quân nhà Nguyễn lấy lại Bình Định, để Nguyễn Văn Thành ở lại trấn thủ, còn Lê Chất phụng mạng trở về Phú Xuân.

Tháng 5 năm 1802, Nguyễn vương đặt niên hiệu là Gia Long, thăng Chất làm Khâm sai chưởng Hậu quân Bình Tây tướng quân, cùng Lê Văn Duyệt lĩnh quân bộ tiến đi trước, quân Nguyễn đến dinh Vĩnh Định đồn Tiên Lý, gặp quân Tây Sơn ở đâu đều đánh tan được. Không lâu sau nhà Nguyễn lấy được cả Bắc Hà, vua tôi Tây Sơn đều bị kết cục thảm hại. Triều Tây Sơn chấm dứt.