Năm 1794, Cảnh Thịnh sai Bùi Đắc Trụ làm tán nghị, vào Quy Nhơn trấn giữ thành và lấy Quang Diệu làm thống suất, lĩnh đại quân tiến đánh thành Nha Trang. Bảy tướng từ Lê Văn Trung trở xuống đều được gia phong làm quận công quản binh và nghe theo lệnh chỉ huy của Quang Diệu. Diệu tiến sát thành Nha Trang, mà quân tuần tiễu thì đã đến địa phận Bình Thuận. Quân Nguyễn Ánh hết sức chống giữ khiến Diệu không thể thắng nổi. Giai đoạn này, quân Tây Sơn luôn luôn tấn công miền Nam đã thuộc quyền Nguyễn Ánh, quân hai bên chống chọi với nhau đến hàng năm.

Sau đó vì vụ Lê Văn Trung mà Lê Chất làm phản theo Nguyễn Ánh, đem quân đánh nhau với tướng Tây Sơn là Mân (Mân Thành hầu Lê Văn Ứng). Quân của Mân thua trận, Mân phải chạy vào núi rừng mà trốn; quân, voi, khí giới đều bị Chất thu sạch. Vua Quang Toản nghe tin, lại sai Đại Tư Vũ Tuấn (Đại Đô đốc Trần Danh Tuấn?) dẫn binh tới trấn, chiêu tập tàn quân để đóng giữ.

Năm 1800, quân Nguyễn Ánh vượt biển ra đánh, Thiếu úy Trương Tấn Thúy, Binh bộ Thượng thư Nguyễn Đại Phác, Tổng quản Lê Văn Thanh không chống nổi, dâng thành xin hàng. Nguyễn Ánh đổi thành Quy Nhơn làm trấn Bình Định, sai Võ Tánh đem quân đóng giữ. Cảnh Thịnh sai Trần Quang Diệu và Vũ Văn Dũng đem quân thủy, bộ vây đánh thành này. Năm 1801, thủy quân Tây Sơn bị quân Nguyễn Ánh đánh bại, tàu lớn và chiến thuyền đều bị thiêu hủy. Vũ Văn Dũng lên bộ, hợp quân với Trần Quang Diệu tiếp tục vây Quy Nhơn.

Ngày 3 tháng 5 âm lịch năm 1801, nhận thấy quân tinh nhuệ của Tây Sơn đều ở cả Quy Nhơn mà lực lượng ở Phú Xuân (Huế) thì rất yếu ớt, Nguyễn Ánh đốc suất toàn bộ thuỷ quân và trên 1.000 chiến thuyền, thuận theo gió nam vượt biển ra phía bắc, đánh thẳng vào cửa Thuận An. Quân Tây Sơn địch không nổi và tan vỡ. Cảnh Thịnh đốc thúc tướng sĩ, tự mình cầm quân tới đánh nhau với quân Nguyễn Ánh. Gần trưa, quân Tây Sơn đại bại, vỡ chạy tan tác. Quân Nguyễn Ánh chiếm lại đô thành.

Sau khi thua trận, Nguyễn Quang Toản chạy ra Nghệ An ở lại vài ngày, rồi ra Thăng Long hội họp tướng sĩ, lo việc chống giữ. Tháng 8 năm đó, vua Quang Toản ở Thăng Long đổi niên hiệu Cảnh Thịnh làm năm đầu niên hiệu Bảo Hưng. Tháng 11, vua đem quân và voi của 6 trấn Hải Dương, Sơn Tây, Sơn Nam, Kinh Bắc, Thanh Hoa, Nghệ An vào đánh, nhưng bị quân Nguyễn Ánh đánh thua, lại phải rút về.

Mùa xuân năm 1802, quân Nguyễn Ánh qua sông Gianh tiến đánh, hạ được đồn Tâm Hiệu thuộc châu Bố Chính. Quân Tây Sơn tan vỡ, chạy về doanh Hà Trung trong hạt Kỳ Anh. Tháng 5 năm này, Nguyễn Ánh hạ chiếu đổi niên hiệu làm năm đầu niên hiệu Gia Long.[9]

Cùng thời gian này, Trần Quang Diệu và Vũ Văn Dũng mới hạ được thành Quy Nhơn. Sau khi đã hạ thành, Diệu liền đem quân về đánh Phú Xuân. Khi Diệu đem quân ra khỏi địa giới Quy Nhơn thì bị tướng của Nguyễn Ánh là Đắc Lộc hầu chặn lại. Quân của Trần Quang Diệu đánh phá nửa ngày nhưng không thể hạ được, với vô số người chết và bị thương. Diệu đành đem quân theo đường núi vào Ai Lao, định ra Nghệ An. Được tin,Nguyễn Ánhlập tức cắt đặt các tướng, thống lĩnh các đạo quân thuỷ bộ, hẹn ngày kéo ra Bắc.

Ngày 28 tháng 5, thuỷ quân của Nguyễn Ánh tới cửa biển Đan Nhai thuộc Nghệ An, tiến đánh và phá được đồn Quần Mộc. Quân bộ cũng tiến đến phía nam sông Thanh Long rồi vượt sang bờ phía Bắc. Hai mặt thuỷ bộ đều tiến công, quân Tây Sơn bỏ chạy tán loạn. Quân Nguyễn Ánh bèn xông lên cướp kho thóc Kỳ Lân. Trấn thủ của nhà Tây Sơn là Nguyễn Văn Thận cùng với hiệp trấn Nguyễn Triêm, thống lĩnh Nguyễn Văn Đại, thiếu uý Đặng Văn Đằng bỏ thành chạy ra miền Bắc. Đến đồn Tiên Lý, Nguyễn Triêm tự thắt cổ; còn Nguyễn Văn Thận chạy ra trấn Thanh Hoa. Quân Nguyễn Ánh lấy được thành Nghệ An.

Trần Quang Diệu ở Quỳ Hợp xuống đến địa phận Hương Sơn thì nghe tin Nghệ An đã thất thủ, bèn đến Thanh Chương, qua sông Thanh Long chạy ra trấn Thanh Hoa. Tướng sĩ đi theo Diệu dần dần tản mát mỗi người một nơi. Quân Nguyễn Ánh đuổi theo, bắt sống được Diệu.

Tháng 6, quân Nguyễn Ánh tiến đánh thành Thanh Hoa. Em vua Quang Toản là đốc trấn Quang Bàn cùng Nguyễn Văn Thận, Đặng Văn Đằng đều đầu hàng.

Ngày 18, Nguyễn Ánh tiến ra Thăng Long, quân Tây Sơn hoàn toàn tan vỡ. Nguyễn Quang Toản bỏ thành cùng với em là Nguyễn Quang Thùy và đô đốc Tú qua sông Nhĩ Hà chạy về hướng bắc. Sau đó, Quang Thùy và vợ chồng Tú đều tự thắt cổ. Còn vua cùng các bề tôi đều bị thổ hào Kinh Bắc bắt được đóng cũi giao nộp cho Nguyễn Ánh. Quan lại của nhà Tây Sơn ở các trấn hoặc trốn, hoặc hàng, không ai dám chống lại.

Vài tháng sau, Gia Long về Phú Xuân, sửa lễ cáo miếu dâng tù, đem Nguyễn Quang Toản ra dùng cực hình giết chết, rồi bố cáo cho khắp cả nước đều biết. Quang Toản cùng những người con khác của anh em Nguyễn Nhạc, Nguyễn Huệ đều bị Gia Long sai dùng cực hình 5 voi xé xác. Còn Nguyễn Huệ, Nguyễn Nhạc cũng bị trả thù rất dã man: Mồ mả bị khai quật, hài cốt bị giã nát vứt đi; đầu lâu của Nhạc, Huệ, Toản và mộc chủ của vợ chồng Nguyễn Huệ đều bị giam ở nhà Đồ Ngoại, sau lại đưa vào cấm cố vĩnh viễn trong ngục thất[10].

Khi bị hành hình, Quang Toản mới 19 tuổi. Triều đại Tây Sơn chấm dứt.[11].