Từ sau khi thua trận ở Cẩm Sa, tình hình quân Tây Sơn nguy cấp. Phía nam, Tống Phúc Hiệp từ Nam Bộ tiến ra đánh Phú Yên. Nguyễn Nhạc lo lắng vì hai đường đều có địch.

Nguyễn Nhạc phải sai thuộc hạ là Phan Văn Tuế đem voi ngựa, vàng lụa, dâng sổ sách ba phủ Quảng Ngãi, Phú Yên và Quy Nhơn đến xin hàng Trịnh và xin làm tiền khu đánh chúa Nguyễn. Hoàng Ngũ Phúc tin lời, nhân dâng biểu về Thăng Long xin cho Nguyễn Nhạc giữ chức Tây Sơn trại trưởng Tráng tiết tướng quân; rồi sai người gia khách giữ công việc thư ký là Nguyễn Hữu Chỉnh đem sắc, ấn, cờ và kiếm ban cho Nguyễn Nhạc.

Hoàng Ngũ Phúc thúc quân tiến đến đóng ở Chu Ổ thuộc huyện Bình Sơn, địa đầu Quảng Ngãi. Nguyễn Nhạc sai người đến tạ ơn, dâng tờ tấu, xin được ban khôi giáp và tiến cử em là Nguyễn Huệ. Hoàng Ngũ Phúc nhận lời, ban cho khôi giáp và phong Nguyễn Huệ làm Tiên phong tướng quân.

Trận Cẩm Sa là cuộc đụng độ đầu tiên giữa quân Trịnh và quân Tây Sơn trong lịch sử Việt Nam trong bối cảnh cùng chung mục tiêu ban đầu là diệt chúa Nguyễn. Địa bàn chúa Nguyễn để lại khiến hai bên tranh giành và mở ra cuộc chiến. Tuy nhiên, vì lý do sinh tồn, Nguyễn Nhạc sau thất bại đã phải lập tức quy thuận để tập trung vào chiến trường miền nam.

Đối với Bắc Hà, thắng lợi Cẩm Sa khiến vùng đất do chính quyền Lê - Trịnh trực tiếp quản lý lần đầu tiên được mở đến tận Quảng Nam sau hơn 200 năm. Trên danh nghĩa, Tây Sơn đã quy thuận, vùng đất thuộc Lê - Trịnh còn bao gồm vùng đất trong tay Tây Sơn kéo dài tới Phú Yên. Trận thắng này cũng là thắng lợi cuối cùng của quân Trịnh trong cuộc Nam tiến. Thậm chí đây là thắng lợi cuối cùng của họ Trịnh trong sự nghiệp cầm quyền.

Không lâu sau, quân Trịnh bị dịch bệnh hoành hành, quân bị thương vong khá nhiều, thậm chí nhiều hơn số quân Tây Sơn bị giết và bị bắt trong trận Cẩm Sa: hơn 3000 người nhiễm bệnh, hơn 600 người chết[12]. Bản thân quận Việp và quận Xuân chỉ vài tháng sau đã ốm yếu rã rời tới mức không thể tự đi đứng được, đều phải có người hầu nâng nhấc[13]. Cuối năm 1775, Hoàng Ngũ Phúc phải kiến nghị Trịnh Sâm bỏ Quảng Nam rút về Thuận Hóa rồi trở về bắc. Trịnh Sâm chấp thuận.

Thế lực họ Nguyễn ở Quảng Nam thấy quân Trịnh rút đi bèn nổi dậy định chiếm cứ nhưng Nguyễn Nhạc đã điều binh đánh tan lực lượng này và chiếm Quảng Nam. Trịnh Sâm thấy Quảng Nam xa xôi hiểm trở và ngại dùng binh, nhân đấy mới trao cho Nguyễn Nhạc trấn giữ[14].