Khi quân Thanh tiến qua biên giới, quân lính Tây Sơn bỏ trốn hết khiến viên trấn thủ của Tây Sơn là Phan Khải Đức phải đầu hàng[20] Theo thư Lê Chiêu Thống gửi cho Tôn Sĩ Nghị, tổng số quân Tây Sơn đóng ở miền Bắc khoảng 60 ngàn quân, trong đó có 30 ngàn quân do bắt lính tại địa phương, không có lòng chiến đấu.

Ngô Văn Sở được tin quân Thanh kéo sang liền nhóm họp các văn võ quan nhà Lê Trung Hưng đưa một bức thư ký tên Giám Quốc Sùng Nhượng Công, Lê Duy Cẩn sang xin hoãn binh với Tôn Sĩ Nghị. Rồi các tướng Tây Sơn mở cuộc thảo luận.

Nhiều người bàn dùng phục binh đánh quân Thanh như Lê Lợi diệt tướng Minh là Liễu Thăng, Lương Minh trước đây, duy Ngô Thì Nhậm chủ trương kế hoạch, nhử quân Thanh vào sâu nội địa, thủy quân rút về Biện Sơn trước, lục quân kéo vào đóng giữ núi Tam Điệp rồi báo tin vào cho Bắc Bình Vương. Chiến lược này được chấp thuận, binh sĩ các đạo đều được lệnh về hội ngay dưới cờ của Tiết Chế Ngô Văn Sở tại bờ sông Nhị vào năm hôm sau. Sở bàn kế hoạch lui quân.

Ngô Văn Sở sai tướng chặn giữ bến đò Xương Giang chặn quân Thanh, và sai Phan Văn Lân đưa hơn 10 ngàn quân tinh nhuệ từ Thăng Long đi đánh. Quân Tây Sơn vượt sông Nguyệt Đức đánh vào quân Thanh đang đóng ở núi Tam Tầng, bao vây doanh trại của Tôn Sĩ Nghị. Súng hỏa sang của quân Thanh bắn ra như mưa, đồng thời cung tên từ hai cánh phải và trái của quân Thanh cũng bắn ra, quân Tây Sơn chết rất nhiều. Tôn Sĩ Nghị lại phái một toán kỵ binh từ mạn thượng lưu vượt qua sông đánh úp lấy đồn Thị Cầu. Đồn này phát hỏa, Văn Lân cả sợ rút về.[21]

Ngày 21 tháng 11 năm Mậu Thân (1788), thành Thăng Long bỏ ngỏ, quân của Nghị vào đóng và tướng doanh của Nghị đặt tại Tây Long Cung. Theo lời vua Thanh dặn, Sĩ Nghị lấy xong thành này rồi trao ấn cho Duy Kỳ, tấn phong làm An Nam quốc vương lấy lòng dân Đại Việt.[21]. Ngày 22, Sĩ Nghị làm lễ ở điện Kính Thiên để làm lễ sách phong cho vua Lê Chiêu Thống.

Lê Chiêu Thống được tin quân Tây Sơn rút khỏi các trấn, bèn điều các tướng dưới quyền đi chiếm lại những nơi đó. Giữa tháng 11 năm 1788, quân Thanh tới bờ bắc sông Thương. Quân Tây Sơn rút về bờ nam nhưng chặt phá hết cầu và lấy hết thuyền bè. Theo sách Thánh vũ ký, phần "Càn Long chinh phủ An Nam ký" của Ngụy Nguyên, quân Thanh đã tổn thất khá nhiều mới bắc được cầu qua sông do đạn của quân Tây Sơn bắn sang trước khi rút hẳn.

Quân Thanh tiến đến Thị Cầu, Phan Văn Lân đã chặt cầu và tận dụng bờ nam cao hơn bờ bắc mà bắn đại bác sang khiến quân Thanh mất 3 ngày (15 đến 17 - 11) không bắc nổi cầu. Nửa đêm 17 tháng 11, Phan Văn Lân mang một ngàn quân bản bộ theo khúc sông Cầu định tập kích trại Tôn Sĩ Nghị nhưng bị thiệt hại do hoả lực của quân Thanh bắn ra. Sau đó Văn Lân đụng độ tướng Thanh là Trương Triều Long ở Tam Tằng.

Trong khi đó, lục quân của Ngô Văn Sở cũng rút về tới Ninh Bình cố thủ. Ngày 20 tháng 11, quân Tây Sơn đóng đồn từ Tam Điệp tới Biện Sơn, Ngô Văn Sở cho đô đốc Tuyết vào nam cấp báo với Bắc Bình vương Nguyễn Huệ.

Tôn Sĩ Nghị tính chuyện truy kích Nguyễn Huệ nhưng Tôn Vĩnh Thanh tâu là Quảng Nam xa cách đô thành nhà Lê 2.000 dặm, dùng quân 1 vạn người thì phải cần 10 vạn phu vận tải, cũng bằng từ Trấn Nam Quan đến thành họ Lê.[22]