Tháng Giêng năm Nhâm Tuất (3 tháng 2 năm 1802), vua Tây Sơn sai Nguyễn Quang Thùy tiến quân lên đánh lũy Trấn Ninh, nhưng đánh mãi không đổ. Thành Đầu Mâu cũng bị quân Tây Sơn tấn công rất gắt, nhưng vẫn không phá được. Vua Tây Sơn đã toan rút quân về, nhưng Bùi Thị Xuân không chịu, xin cho ra đốc quân đánh trận.

Rồi một mình bà trên mình voi xông xáo trên chiến trường từ sáng sớm đến chiều tối, chưa bên nào được thua. Đánh một lúc nữa, quân Nguyễn dự tính tháo lui thì bất ngờ ở cửa Nhật Lệ, đội binh thuyền của Tây Sơn bị thủy quân của tướng Nguyễn Văn Trương phá tan.

Sách Việt sử tân biên (quyển 4) chép:

Tin (thủy quân bị đánh tan) đến tai vua Cảnh Thịnh và các tướng tá khiến mọi người thất vọng. Riêng Bùi Thị (Xuân) vẫn hăng hái truyền cho một đại đội khác đến thay cho bọn làm phản (đang) bỏ vắng. Quân Nguyễn trong thành bắn ra như mưa rào. Quân Tây Sơn được lệnh ào ạt trèo tường vào (lũy) Trấn Ninh. Nữ tướng giành lấy dùi trống thúc liên hồi. Nếu trận đánh cứ tiếp diễn luôn hai tiếng nữa như thế thành Trấn Ninh có lẽ mất. Nguyễn vương và các tướng tá bấy giờ đã hoảng hốt vội cho thủy quân vượt sông Linh Giang đánh bọc hậu có ý chia lực lượng của nữ tướng họ Bùi hầu mở được một con đường máu để thoát thân. Nguyễn Quang Thùy nhát gan thấy thế tưởng nguy liền lui binh. Được một lúc bà mới biết. Sự kiện này làm những đạo quân còn đang chiến đấu nao lòng, đa số binh tướng Tây Sơn xin bà Bùi cho rút lui, tệ hơn nữa họ bỏ cả vũ khí đạn dược để chạy tháo thân. Cuối cùng, thế chẳng đặng đừng, nữ tướng họ Bùi cùng một số quân riêng hộ vệ cho vua Cảnh Thịnh rút về phương Bắc...Thắng xong trận này, Nguyễn vương về Phú Xuân để sắp đặt việc tức vị...[3]