Lúc này Nguyễn Ánh cho họp các tướng để bàn bạc, trải qua mấy tháng tấn công đèo Ngang lương thực cũng đã cạn kiệt mà kết quả vẫn chưa đạt được. Tướng Lê Văn Duyệt hiến kế.
- Thần nghe thám tử mật báo Cảnh Thịnh đã về Trung Đô, Trần Quang Diệu đang trấn thủ ở đây. Diệu là người văn võ song toàn lên không dễ đánh. Theo ngu ý của thần Hoàng Thượng lên mang toàn bộ thủy quân ra Nghệ An ngược sông Lam đánh thẳng vào Trung Đô giống như lúc trước mình đánh thành Phú Xuân. Thần ở đây để cầm chân Trần Quang Diệu cho đầu đuôi giặc không cứu được nhau tất phá được.
Nguyễn Ánh khen phải cho mang ba vạn thủy quân tiến về về Trung Đô. Thành Trung Đô lúc này có hơn một vạn quân Đô Đốc Tuyết chỉ huy, canh phòng nghiêm mật. Lúc thấy thủy quân nhà Nguyễn xuất hiện lập tức cho khua chiêng báo động, toàn quân lên thành chuẩn bị. Thịnh chỉ giữ lại năm trăm quân dùng súng kiểu mới và ba trăm cấm vệ quân . Đứng trên tầng ba Lầu Rồng để quan sát cùng với đô đốc Bùi Thị Xuân và ứng cứu khi cần.
— QUẢNG CÁO —
Bên Nguyễn Ánh cho thả khí cầu mang người lên quan sát sau đó phát động lệnh tấn công. Tuy lực lượng Nguyễn Ánh đông gấp ba lần nhưng chỉ có thể tấn công phía nam và phía tây, tường thành lại không dài nên hai, ba ngày chưa chiếm được ưu thế. Tướng Nguyễn Văn Thành hiến kế
Thần thấy thành Tây dài gấp rưỡi thành Nam hơn nữa số lượng súng thần công của Tây Sơn phần lớn đặt trên bệ có bốn bánh xe khó di chuyển nhanh. Theo ngu ý của thần sáng mai chúng ta dùng kế nghi binh giả vờ tập trung tấn công mãnh liệt thành tây để thu hút binh lực của địch. Tầm chiều ta tập trung toàn bộ súng thần công bắn thủng cổng thành phía Nam cho tinh binh tràn vào chắc phá được thành.
— QUẢNG CÁO —

Nguyễn Ánh cho là diệu kế và hôm sau tiến hành theo kế hoạch. Quả nhiên quân Tây Sơn trúng kế, đạn pháo nhà Nguyễn bắn sập cổng thành phía Nam. Chưởng cơ Võ Văn Đức dẫn ba nghìn tinh binh tràn vào. Tuy nhiên khi bước qua cổng thành Đức thấy khoảng năm trăm quân đứng ở đó mỗi người cầm súng điểu thương kiểu dáng lạ chia làm ba hàng. Ngoài ra mỗi bên cánh còn khoảng một trăm quân mỗi bên. Đức hô quân xung phong bên Tây sơn bên tả hữu lập tức ném lựu đạn. Lần đầu tiên nếm uy lực của lựu đạn quân nhà Nguyễn hoảng loạn. Tuy tiếng nổ không lớn nhưng sức sát thương thật khủng khiếp. Loạt lựu đạn tung ra cướp mạng gần nghìn người, vì lúc này tập trung ở cổng thành chật trội lên nhiều người không thể né tránh hoặc ẩn nấp. Khi súng trường khai hỏa thì Đức thấy rõ nó hơn hẳn điểu thương của nhà Nguyễn. Tầm bắn xa và chính xác làm quân Nguyễn liên tiếp trúng đạn đổ gục như chuối, ba hàng quân thay phiên nhau hàng nạp đạn, hàng bắn súng có cảm giác đạn bay liên tục. Bản thân Đức cũng trúng viên đạn vào ngực bị thương nặng được mấy tên lính dìu rút lui. Thấy quân Nguyễn núng thế Bùi thị Xuân cưỡi voi trắng một ngà và ba trăm quân cấm vệ cùng ba trăm tay súng đuổi theo làm quân Nguyễn hoảng loạn dẫm đạp lên nhau chạy trốn về phía Thủy Trại. Lúc đó các súng thần công trên chiến thuyền khai hỏa làm Bùi thị Xuân phải lui binh.
Trận này phía Tây Sơn toàn thắng diệt hơn một vạn quân, bắt sống hai nghìn quân. Quân Nguyễn Ánh phải rút toàn bộ lên thủy trại.