Ngày 29 tháng 1, Quang Trung dùng các toán quân nhỏ đánh khiêu khích ngoại vi Ngọc Hồi tạo sự căng thẳng cho quân Thanh và nghi binh cho cánh quân đô đốc Long đánh đồn Đống Đa. Mờ sáng 30 tháng 1 (mùng 5 Tết), quân Tây Sơn bắt đầu tấn công từ hướng nam: mở đầu, đội voi chiến (trên 100 voi chiến) đánh tan phản kích của kỵ binh Hứa Thế Hanh; tiếp sau, bộ binh (gồm 600 quân cảm tử chia làm 20 toán), trang bị đoản đao, ván chắn bằng gỗ quấn rơm ướt che mình, tiến thành hàng ngang áp sát chiến luỹ, tạo điều kiện cho đại quân Quang Trung tiến lên giáp chiến. Quân Thanh chống không nổi, chết và bị thương quá nửa. Đề đốc Hứa Thế Hanh và tả dực Thượng Duy Thăng bị giết.

Tôn Sĩ Nghị vội vã cùng vài võ quan sang Gia Lâm, Đô đốc Long - viên cận thần của Quang Trung - sai quân đánh quân Thanh, Tôn Sĩ Nghị rút chạy về kinh thành của Càn Long

Số tàn quân do tiên phong Trương Triều Long chỉ huy bỏ chạy về Thăng Long, nhưng bị chặn trên đường rút (gần Văn Điển ngày nay) buộc phải chạy theo hướng Đầm Mực. Tại đây, quân của đô đốc Bảo đã phục kích sẵn, tiêu diệt toàn bộ.