Đang khi trong Nam có quyền thần chuyên chính ở trong, Tây Sơn đánh phá ở ngoài, ở ngoài Bắc chúa Trịnh là Trịnh Sâm biết tình trạng như vậy, bèn sai đại tướng là Hoàng Ngũ Phúc đem thủy bộ hơn 3 vạn quân cùng với Hoàng Phùng Cơ, Hoàng
Ấp Tây Sơn nay là đất thôn An Khà và thôn Cửu An thuộc phủ Hoài Nhân. Vì anh em Nguyễn Nhạc khởi nghiệp ở chỗ ấy, nên mới gọi là Tây Sơn. Đình Thể, Hoàng Đình Bảo vào đất Bố Chính để đánh họ Nguyễn, giả nói là vào đánh Trương Phúc Loan.
Đến tháng 10 năm giáp ngọ (1774) quân Hoàng Ngũ Phúc sang sông Linh Giang, sai Hoàng Đình Thể đem binh đến đánh lấy lũy Trấn Ninh, nhờ có nội ứng, cho nên không đánh mà lấy được lũy. Trịnh Sâm được tin Hoàng Ngũ Phúc đã phá được thành Trấn Ninh rồi, bèn quyết kế đem đại binh đi vào tiếp ứng. Đến tháng chạp thì quân của Ngũ Phúc tiến lên đóng ở làng Hồ Xá (thuộc huyện Minh Linh, Quảng Trị) rồi truyền hịch đi nói rằng quân Bắc chỉ vào đánh Trương Phúc Loan mà thôi, chứ không có ý gì khác cả. Các quan ở Phú Xuân bèn mưu bắt Phúc Loan đem nộp.
Hoàng Ngũ Phúc bắt được Trương Phúc Loan rồi, lại tiến binh đến huyện Đăng Xương, sai người đưa thư đến Phú Xuân nói rằng Phúc Loan tuy đã trừ, nhưng mà Tây Sơn hãy còn, vậy xin đem binh đến hội tại Phú Xuân để cùng đi đánh giặc.
Chúa Nguyễn biết mưu Hoàng Ngũ Phúc chực đánh lừa để lấy kinh thành, bèn sai Tôn Thất Tiệp cùng với quan Chưởng cơ là Nguyễn Văn Chinh đem thủy bộ quân ra án ngữ ở sông Bái Đáp Giang (nay gọi là Phu lệ ở huyện Quảng Điền). Hoàng Ngũ Phúc sai Hoàng Đình Thể đem binh đi lên đường núi rồi tiến binh hai mặt đánh ập lại, quân họ Nguyễn vỡ tan bỏ chạy cả, quân Bắc tiến lên lấy thành Phú Xuân, chúa Nguyễn và các quan chạy vào Quảng Nam.
Bấy giờ Trịnh Sâm đóng ở Hà Trung, được tin Hoàng Ngũ Phúc đã lấy được Phú Xuân rồi, mừng lắm, sai quan đưa cho Ngũ Phúc 100 lạng vàng, và cho các tướng sĩ 5000 lạng bạc, lại phong cho Ngũ Phúc làm Đại Trấn Phủ, đất Thuận Hóa để lo việc lấy đất Quảng Nam. Đoạn rồi Trịnh Sâm rút quân về Bắc.