Năm 1655, chúa Nguyễn là Nguyễn Phúc Tần bành trướng ra Bắc, đem quân đánh chiếm các vùng đất Bố Chính, Hoành Sơn, các cửa biển Kỳ La, Nam Giới và các huyện phía Nam sông Lam như Kỳ Anh, Thạch Hà, Thiên Lộc, Nghi Xuân, La Sơn, Hương Sơn, Hưng Nguyên, Thanh Chương. Cuộc sống của nhân dân ở những vùng này vô cùng khổ cực vì loạn binh đao giữa Đàng Ngoài và Đàng Trong. Trần Hưng Học cùng các em trai là Trần Hưng Nhượng, Trần Hưng Thi tập hợp được hơn một trăm trai tráng trong vùng cùng nhau lao động sản xuất, tích trữ lương thảo và luyện tập võ nghệ, bảo vệ thôn xóm.

Quân của Trần Hưng Học dùng chiến thuật du kích đánh úp tiêu diệt nhiều đồn lẻ của quân Nguyễn dọc sông Lam. Quân nhà Nguyễn nhiều lần thu phục cũng như truy lùng nhưng không được.

Tháng 6 năm Đinh Dậu (1657), đánh trận Nam Hoa.

Tháng 9 năm Đinh Dậu (1657), đánh trận Bình Ngô.

Tháng 8 năm Mậu Tuất (1658), đánh trận Nam Hoa thượng.

Tháng 9 năm Mậu Tuất (1658), đánh trận Xuân Hoa.

Tháng 10 năm Mậu Tuất (1658), đánh trận Thanh Chương.

Tháng 12 năm Mậu Tuất (1658), đánh trận Tình Diễm (Hương Sơn).

Tháng giêng năm Kỷ Hợi (1659), đánh trận Mã Yên (Hương Sơn).

Tháng 10 năm Kỷ Hợi (1659), đánh trận Cống Đá (Hương Sơn).

Tháng 4 năm Canh Tý (1660), đánh trận Cửa Hói (Yên Ấp, Hương Sơn).

Tháng 9 năm Canh Tý (1660), đánh trận Yên Ngựa.

Tháng 11 năm Canh Tý (1660), đánh trận Bàu Hống.

Tháng 12 năm Canh Tý (1660), đánh trận Hoành Sơn).

Nhờ sự giúp đỡ che chở của nhân dân, thông thạo địa hình rừng núi hiểm trở và tài trí của Trần Hưng Học, quân của ông càng đánh càng mạnh, thanh thế ngày một lớn và làm cho tướng lĩnh của vua Lê, chúa Trịnh rất cảm phục. Họ đã tiếp kiến anh em Trần Hưng Học và kết hợp tác chiến với quân của ông để giải phóng vùng đất bị quân Nguyễn chiếm đóng.

Quân Trần Hưng Học luôn luôn được cử làm đội tiên phong, vừa trinh sát, vừa làm nội ứng, kịp thời đưa ra những phương án chuẩn xác góp sức cùng quân của triều đình Đàng Ngoài thu phục lại nhiều vùng đất bị quân chúa Nguyễn chiếm đóng ở phía nam Sông Lam[1].

Ghi nhận công lao to lớn của ba anh em Trần Hưng Học, Trần Hưng Nhượng, Trần Hưng Thi, vua Lê đã ban sắc phong thăng chức và trọng thưởng. Trần Hưng Học giữ chức Thự vệ, Trần Hưng Nhượng giữ chức Tá hiệu điền, Trần Hưng Thi giữ chức Chỉ huy thiêm sự.

Khi chiến tranh Trịnh - Nguyễn tạm lắng, anh em Trần Hưng Học, Trần Hưng Nhượng được Trấn thủ Nghệ An là Đào Quang Nhiêu giao cho trấn giữ nơi giáp tuyến tranh chấp của hai. Đội quân của hai ông bấy giờ lên tới ba bốn trăm người, là lực lượng quan trọng của triều đình nhà Lê trong việc trấn giữ đất đai và tiến đánh quân nhà Nguyễn.

Năm Canh Tuất (1670), trong đợt xét công kiên nghĩa, Trần Hưng Học được thăng chức Tham đốc Triều Nhuận hầu; Trần Hưng Nhượng được thăng chức Thự vệ sự Triều Hiến hầu.

Năm 1672, vua Lê Gia Tông dẫn đại quân tiến đánh phía Nam, quyết tâm thu hồi lại toàn bộ đất đai đã bị quân Nguyễn chiếm trước đây. Trong trận này, Trần Hưng Học, Trần Hưng Nhượng được lệnh làm Quản thống đội quân tiên phong. Quân Nguyễn do tướng Nguyễn Hữu Dật chỉ huy chống cự lại quyết liệt, tuy bị thiệt hại nặng nề, song vẫn giữ được phần đất đai phía Nam của nhà Nguyễn. Đây là cuộc chiến cuối cùng giữa hai miền Nam - Bắc. Từ đó trở về sau, hai phe Trịnh - Nguyễn đình chiến, lấy sông Giang làm biên giới chia cắt giữa hai miền.

Từ đó anh em Trần Hưng Học cùng đội quân của họ được giao nhiệm vụ trấn giữ, phòng thủ vùng giới tuyến phía nam.

Tháng 5 năm Nhâm Tý (1672), Trần Hưng Học cùng em trai là Trần Hưng Nhượng dẫn đội tiên phong đi đánh giặc ở Bàu Táo vùng Đông Hải.