Ngày 29 tháng 11 năm Mậu Thân (26 tháng 12 năm 1788), đại quân của hoàng đế Quang Trung tới Nghệ An, dừng quân tại đó hơn 10 ngày để tuyển quân và củng cố lực lượng.[78][79] Để có thêm quân đánh Thanh, vua Quang Trung thi hành chính sách cưỡng bách tòng quân. Theo tác giả Hoa Bằng, tất cả nam giới từ 12, 13 đến 60 tuổi đều phải đăng ký vào sổ đinh nam.[80] Theo thư của giáo sĩ La Barette, tất cả nam từ 15 tuổi trở lên đều phải đi lính, người già và phụ nữ phải đi sửa cầu đường.[81] Theo Nguyễn Lương Bích và Phạm Ngọc Phụng, cứ 3 suất đinh thì chọn lấy 1 người đi lính. Trong 10 ngày tuyển quân, Quang Trung đã có thêm khoảng mấy vạn quân, nâng tổng quân số lên tới 10 vạn.[82] Theo Đại Nam chính biên liệt truyện, số quân cũ và mới của Quang Trung là 10 vạn, được tổ chức thành 5 đạo: tiền, hậu, tả, hữu và trung quân, ngoài ra còn có một đội tượng binh gồm 200 voi chiến. Quang Trung còn tổ chức lễ duyệt binh ngay tại Nghệ An để khích lệ tinh thần và ý chí quyết chiến, quyết thắng của tướng sĩ đối với quân xâm lược Mãn Thanh. Ngay sau lễ duyệt binh, Quang Trung tiến quân ra Bắc Hà.[83]
Các giáo sỹ phương Tây ghi rằng quân của Quang Trung “tiến nhanh như vũ bão… từ Thanh Hoá ra Ninh Bình chỉ mất có một ngày, không quản đường xa khó nhọc đã làm chết nhiều ngựa voi của ông, trong khi người khác phải mất ba bốn ngày”. Ngày 20 tháng 12 năm Mậu Thân (15 tháng 1 năm 1789), đại quân của Quang Trung đã ra đến Tam Điệp. Sau khi xem xét tình hình, Quang Trung hẹn ba quân ngày mồng 7 Tết sẽ quét sạch quân Thanh, vào ăn Tết ở Thăng Long. Quang Trung chia quân làm 5 đạo. Một cánh do đô đốc Long chỉ huy từ làng Nhân Mục tập kích đồn Khương Thượng và phía tây Thăng Long. Cánh đô đốc Bảo tiến đánh các đồn phía nam Thăng Long. Trung quân do đích thân Quang Trung chỉ huy, phối hợp với đô đốc Bảo đánh diệt các đồn phía nam Thăng Long. Cánh đô đốc Tuyết và đô đốc Lộc theo đường biển ra Bắc, chặn đường lui của địch ở phía bắc sông Nhị Hà và huyện Phượng Nhãn.
Đêm 30 tháng Chạp âm lịch, quân Tây Sơn đánh diệt đồn Gián Khẩu của các tướng Lê Chiêu Thống. Sau đó Quang Trung đánh diệt các đồn Nguyệt Quyết, Nhật Tảo, dụ hàng được đồn Hà Hồi. Đêm mồng 4 Tết, Quang Trung tiến đến trước đồn lớn nhất của quân Thanh là Ngọc Hồi nhưng dừng lại chưa đánh khiến quân Thanh lo sợ, phần bị động không dám đánh trước nhưng cũng không biết bị đánh lúc nào. Trong khi đó cánh quân của đô đốc Long bất ngờ tập kích đồn Khương Thượng khiến quân Thanh không kịp trở tay, hàng vạn lính bỏ mạng. Chủ tướng Sầm Nghi Đống tự vẫn. Xác quân Thanh chết sau xếp thành 13 gò đống lớn,[84] có đa mọc um tùm nên gọi là gò Đống Đa.
Đô đốc Long tiến vào đánh phá quân địch phòng thủ ở Tây Long. Sáng mồng 5, Quang Trung mới cùng đô đốc Bảo tổng tấn công vào đồn Ngọc Hồi. Trước sức tấn công mãnh liệt của Tây Sơn, quân Thanh bị động thua chết hàng vạn, phần lớn các tướng bị giết.[85] Trong khi Quang Trung chưa đánh Ngọc Hồi thì Tôn Sĩ Nghị nghe tin đô đốc Long đánh vào Thăng Long, cuống cuồng sợ hãi đã bỏ chạy trước. Đến sông Nhị Hà, sợ quân Tây sơn đuổi theo, Tôn Sĩ Nghị hạ lệnh cắt cầu khiến quân Thanh rơi xuống sông chết rất nhiều làm dòng sông bị nghẽn dòng chảy. Trên đường tháo chạy, Tôn Sĩ Nghị bị hai cánh quân Tây Sơn của đô đốc Tuyết và đô đốc Lộc chặn đánh, tơi tả chạy về. Lê Chiêu Thống hớt hải chạy theo Nghị thoát sang bên kia biên giới. Quân Tây Sơn đuổi theo và rao lên rằng sẽ đuổi qua biên giới đến khi bắt được Tôn Sĩ Nghị và Chiêu Thống mới thôi. Bởi thế dân Trung Quốc ở biên giới dắt nhau chạy làm cho suốt vài chục dặm không có người.[86][87]
Như vậy, sớm hơn dự kiến, chỉ trong vòng 6 ngày, quân Tây Sơn đã đánh tan quân Thanh. Trưa mùng 5 Tết, Quang Trung tiến quân vào thành Thăng Long trong sự chào đón của nhân dân.
Ngô Ngọc Du là một nhà thơ đương thời, đã ghi lại không khí tưng bừng của ngày chiến thắng oanh liệt đó trong một bài thơ:[88]
“ Giặc đâu tàn bạo sang điên cuồng Quân vua một giận oai bốn phương Thần tốc ruỗi dài xông thẳng tới, Như trên trời xuống dám ai đương Một trận rồng lửa giặc tan tành, Bỏ thành cướp đó trốn cho nhanh Ba quân đội ngũ chỉnh tề tiến, Trăm họ chật đường vui tiếp nghênh Mây tạnh mù tan trời lại sáng Đầy thành già trẻ mặt như hoa, Chen vai khoác cánh cùng nhau nói: “Kinh đô vẫn thuộc núi sông ta” ”
