Trần Quang Diệu và Vũ Văn Dũng đang vây đánh thành Quy Nhơn, được tin Phú Xuân thất thủ, liền sai tướng đem quân ra cứu, nhưng ra đến Quảng Nam, gặp quân của Lê Văn Duyệt kéo vào đánh chặn đường, quân Tây Sơn phải lùi trở lại. Từ đó Trần Quang Diệu ngày đêm hết sức đốc quân đánh thành. Quân Nguyễn Vương ở trong thành hết cả lương thực, không thể chống giữ được nữa, quan trấn thủ là Võ Tính bèn viết thư sai người đưa ra cho Trần Quang Diệu nói rằng: "Phận sự ta làm chủ tướng, thì đành liều chết ở dưới cờ. Còn các tướng sĩ không có tội gì, không nên giết hại".
Đoạn rồi sai người lấy rơm cỏ chất ở dưới lầu Bát Giác, đổ thuốc súng vào tự đốt mà chết. Quan hiệp trấn là Ngô Tùng Chu cũng uống thuốc độc tự tử.
Trần Quang Diệu vào thành Quy Nhơn tha cho cả bọn tướng sĩ và sai làm lễ liệm táng Võ Tính và Ngô Tòng Chu, rồi sai đại đô đốc Trương Phúc Thượng và tư khấu Định, đem binh đi đường thượng đạo ra đánh Phú Xuân. Đi được nửa đường thì quân hết lương. Trương Phúc Thượng về hàng nhà Nguyễn, còn tư khấu Định thì đánh thua chạy vào chết ở trong Mường. Trần Quang Diệu lại sai Lê Văn Điềm vào đánh Phú Yên, cũng không được.
Bấy giờ Trần Quang Diệu tuy đã lấy được thành Quy Nhơn, nhưng một mặt thì có quân của Lê Văn Duyệt và Lê Chất ở Quảng Nam, Quảng Nghĩa đánh vào, một mặt thì quân của Nguyễn Văn Thành ở cửa Thị Nại đánh lên, còn ở phía nam, lại có quân của Tống Viết Phúc và Nguyễn Văn Tính ở Phú Yên đánh ra. Ba mặt thụ địch, quân Tây Sơn phải hết sức chống giữ, để chờ quân ở Bắc Hà vào cứu viện.