Tháng 7 năm 1786, tướng Tây Sơn là Nguyễn Huệ với chiêu bài "phù Lê diệt Trịnh" kéo quân ra Thăng Long đánh đổ Trịnh Khải (Trịnh Tông) và ngỏ ý tôn phù Lê Hiển Tông. Khi quân Tây Sơn tiến vào, nhà vua đã lâm bệnh, các hoàng tử hầu hạ nâng giấc ở trong nội điện, thấy ngoài cung điện có lính và voi, ngờ là giặc kéo đến uy hiếp, liền vực nhà vua dậy toan lánh đi chỗ khác. Chợt lúc ấy, viên tỳ tướng đệ dâng bản tâu, trước hết bày tỏ lễ ý xin thăm hỏi sức khỏe nhà vua, sau nữa xin định ngày sẽ vào triều bái yết. Nhà vua nhận được tờ tấu, mới yên tâm.

Nhà vua triệu kiến Nguyễn Huệ ở điện Vạn Thọ, sai đặt một giường khác ở bên cạnh giường vua ngự để Nguyễn Huệ ngồi. Nguyễn Huệ rụt rè không dám ngồi, nhà vua ép mãi, Nguyễn Huệ mới ngồi ghé vào cạnh chiếu, rồi tâu bày về lý do lật đổ họ Trịnh và tôn phù nhà Lê. Do sự mai mối của Nguyễn Hữu Chỉnh – cựu thần của Bắc Hà theo hàng Tây Sơn – Hiển Tông gả công chúa Lê Ngọc Hân cho Nguyễn Huệ. Lại hạ lệnh truyên triệu bọn Phan Lê Phiên, Uông Sĩ Điển, Trần Công Thước và bầy tôi hơn mười người về triều.

Nguyễn Huệ lại xin định ngày làm lễ dâng sổ sách binh dân, Hiển Tông cố gượng dậy, ra ngự điện Kính Thiên nhận lễ, rồi ban hành chiếu thư về việc nhất thống để bá cáo cho trong kinh ngoài trấn biết. Ngày 17 tháng 7 năm đó, vua mất tại điện Vạn Thọ, ở ngôi 47 năm, hưởng thọ 70 tuổi. Hiển Tông sống qua 4 đời chúa Trịnh. Ông được táng tại lăng Bàn Thạch.

Trước khi mất, Hiển Tông dặn lại cháu kế vị là Duy Khiêm (tức Lê Chiêu Thống) phải lựa ý Nguyễn Huệ mà định việc kế lập. Cương mục chép:

Khi bệnh nguy kịch, cho triệu Hoàng thái tôn (Duy Khiêm) đến bảo rằng: "Ta chỉ sớm tối sẽ trút bỏ gánh nặng, bây giờ lo lắng việc nước là ở mình cháu, cháu phải nghĩ lấy". Thái tôn vừa lạy vừa khóc xin nhận mệnh lệnh. Nhà vua nói: "Binh lính xứ khác còn đóng ở đây, về việc truyền nối ngôi vua là việc trọng đại, cần phải thương lượng bàn bạc với nguyên soái,[10] chớ nên làm tắt".[11]