Sau mùa xuân 2015 Thịnh cho họp triều đình ra quyết định Nam tiến, tấn công lũy Thầy. Lũy thầy là hệ thống phòng thủ xây dựng từ năm 1630 được Nguyễn Ánh mới ra cố tu bổ lại gồm các Lũy : Lũy Trường Dục thuộc huyện Quảng Ninh, tỉnh Quảng Bình. Được khởi xây từ núi Thần Đinh (chùa Non) men dọc theo bờ sông Long Đại, qua các làng Trường Dục, Xuân Dục, Cổ Hiền, chạy vòng xuống đến làng Bình Thôn, Quảng Xá rồi đến vùng động cát đầu phá Hạc Hải rộng sáu mét, dài mười cây số, một trượng.
Luỹ được xây dựng theo kiểu kiến trúc chữ Hồi 囘 (nên còn được gọi là Lũy Hồi Văn),khung thành bao bọc với bên ngoài, trong là doanh trại, công sự chiến đấu, kho lương bố trí theo lối chữ dĩ 已 liên hoàn chặt chẽ với lũy ngoài. Lũy Động Hải cao tầm sáu mét, dài hơn mười hai cây số, phía ngoài được đóng cọc bằng gỗ lim, phía trong đóng cọc tre, đổ đất lên năm tầng cấp, voi ngựa có thể đi được. Cứ cách hơn mười mét lại xây một pháo đài đặt súng thần công kiểu Châu Âu, cách một trượng (bốn mét) lại đặt một súng phóng đá. Luỹ Trấn Ninh được chia làm 2 đoạn: Đoạn thứ nhất chạy từ núi Đầu Mâu, dọc theo nam sông Lệ Kỳ ra đến cầu Dài ở phía nam Đồng Hới. (Đoạn này còn gọi là lũy Đầu Mâu).Đoạn thứ hai tiếp nối với lũy Đầu Mâu, chạy từ cầu Dài, vòng sang phía Tây thành Đồng Hới, bọc lấy làng Đồng Phú, qua Hải Thành ra đến cửa sông Nhật Lệ. (Đoạn này còn được gọi là lũy Nhật Lệ)
Lũy Trường Sa dài 7 cây số chạy dọc ven biển, từ Sa Động (xã Hải Ninh (huyện Quảng Ninh)) đến Huân Cát (Bảo Ninh ở hữu ngạn sông Nhật Lệ ngày nay). Quân Nguyễn đang đồn trú ở hệ thống Lũy Thầy bốn vạn quân, một vạn thủy binh. Trong đó có hai vạn quân được trang bị súng hỏa mai kiểu mới của Pháp. Theo tin tình báo Lũy Trấn Ninh có một vạn rưỡi quân, Lũy Trường Sa một vạn quân và Lũy Trường Dục có một vạn rưỡi quân do đích thân Lê Văn Thịnh chỉ huy.
Nếu dùng thủy quân kết hợp với bộ binh mãnh công Lũy Trấn Ninh phải vượt sông Nhật Lệ thì tổn thất rất lớn vì đây là con hào thiên nhiên rất rộng. Đánh từ phía biển vướng phải Lũy Trường Sa. Võ Văn Dũng đề xuất ý kiến dùng thủy quân vòng qua Lũy Trường Sa đổ bộ bờ biển sau đó đánh vào Lũy Trường Dục vì Lũy Trường Dục là nơi chính chứa quân lương, vũ khí của hệ thống Lũy Thầy. Mất Lũy Trường Dục hệ thống Lũy Thầy sẽ bị phá tuy nhiên Tướng Lê Văn Hưng lại phản đối. Thời chúa Trịnh cũng đã dùng kế này một lần nhưng bị quân ở Lũy Trường Sa đánh sau lưng dồn quân Trịnh vào đầm lầy chết mấy vạn quân. Muốn đổ quân vòng qua lũy Trường Sa nhanh chóng và bí mật thủy quân Tây Sơn hiện chỉ có thể chở được tối đa 2 vạn quân cho một chuyến lại không thể trở theo vũ khí hạng nặng như súng thần công. Khi biết ý định Thịnh tự dẫn quân đổ bộ các tướng đều ngăn cản, nhưng ý Thịnh đã quyết. Thịnh nói
-Vì trẫm mà quân Tây Sơn thua trận ở Lũy Trấn Ninh, giờ tự tay trẫm sẽ giành lại.
Thịnh hạ lệnh đội thủy quân tấn công chiến thuyền của chúa Nguyễn trên cửa sông Nhật Lệ, đội quân này đóng gần Lũy Nhật Lệ để ngăn quân Tây Sơn vòng qua đổ bổ. Lúc này quân Tây Sơn có hai mươi tàu hơi nước bọc đồng trang bị pháo cỡ nòng lớn 200 mm, hai trăm tàu gỗ cỡ lớn, hai tầng trang bị mười hai pháo mỗi bên mạn. Qua ống nhòm nhìn đoàn thuyền chiến do Vũ Văn Dũng chỉ huy dễ dàng đánh tan đoàn chiến thuyền của Nhà Nguyễn Thịnh rất vui vì thành quả của mình những ngày tháng qua đã được đền đáp.
— QUẢNG CÁO —
Sau khi đánh tan đội thủy quân nhà Nguyễn, Thịnh cho thủy quân bắn phá Lũy Nhật Lệ như đang chuẩn bị tấn công để nghi binh còn đích thân Thịnh cùng các tướng Võ Văn Dũng, Trần Quang Diệu, Lê Văn Hưng, Vũ Thành Công dẫn 2 vạn quân thuộc doanh súng trường đi chiến thuyền vòng qua Lũy Trường Sa đổ bộ lên vùng bờ biển giáp Tỉnh Quảng Trị.
Sau khi đổ bộ lên bờ biển Trị Trần Quang Diệu dẫn năm nghìn quân cùng một số súng cối 80 ly đến mai phục chặn quân từ Lũy Nhật Lệ kéo về. Võ Văn Dũng mang năm nghìn quân phục kích quân Nguyễn từ Lũy Trường Sa đánh sau lưng còn lại theo Thịnh và Hưng đánh vào Lũy Trường Dục.
Khi đến cách lũy Trường Dục khoảng tám trăm mét Thịnh cho triển khai khẩu súng cối 80 ly bắn vào chiến lũy dữ dội như chuẩn bị tấn công vào chiến lũy. Lập tức Lê Văn Thịnh cho quân thả bồ câu để gọi quân cứu viện. Thịnh dùng chiến thuật “ vây điểm diệt viện” lên không cho quân tấn công vào Lũy Trường Dục mà chỉ cốt khoa trương thanh thế.
Quả nhiên khi nhận được tin cấp báo Chỉ huy ở Lũy Nhật Lệ sai phó tướng là Quang Huy mang tám nghìn quân về hỗ trợ, bị trúng mai phục của Trần Quang Diệu tiêu diệt và bắt sống năm nghìn quân, số còn lại chạy về Lũy Nhật Lệ. Cánh quân Lũy Trường Sa khi nhận được tin chuẩn bị cho quân cứu viện thì viên Tham tướng là Đặng Tất lại can ngăn.
-Xin tướng quân xem xét lại quân Tây Sơn có tướng tài là Lê Văn Hưng và Trần Quang Diệu không khi nào họ lại bước vào vết xe đổ của quân Trịnh trước kia. Chắc chắn việc này có gian kế, theo ý tiểu tướng ta lên cho quân đi vòng tránh đường qua đầm dễ bị phục binh mà xuôi nam sau đó đi ngược lên.
— QUẢNG CÁO —
Viên chỉ huy chuẩn tấu và giao cho Đặng Tất mang 8 nghìn quân về ứng cứu.
Quả nhiên cánh quân này tránh được phục binh của tướng Võ Văn Dũng và đã mật báo cho Lê Văn Thịnh hẹn sáng hôm sau hai cánh quân đánh vào hai mặt để phá quân Tây Sơn.
Sáng hôm sau Lê Văn Thịnh cưỡi voi mang quân ra tấn công quân Tây Sơn. Để hạn chế sát thương súng của Tây Sơn Lê Văn Thịnh cho quân mang những tấm gỗ lớn đằng trước có bện rơm ướt sai binh lính khỏe mạnh 3 người khiêng một tấm, quân mang súng trường kiểu Pháp đi đằng sau. Quân Nguyễn học tập từ sỹ quan Pháp nên chia đội súng thành ba hàng, khi đến gần hàng bắn súng, hàng nạp đạn tạo ra cảm giác súng bắn liên tục. Thịnh cho Lê Văn Hưng mang tám nghìn súng trường và súng cối dàn trận đánh địch. Hai bên đang giao chiến thì đột nhiên có quân cấp báo có một cánh quân đang đánh vào hậu quân Thịnh vội sai Đô đốc Công và Cai đội Xuân Quang dẫn hai nghìn quân vào mười súng cối ra chặn địch tuy nhiên do lợi thế về quân số Đốc Đốc Công và Xuân Quang không cản được thế địch đang tràn tới.
Lúc này Thịnh sai mang tám chiếc xe tứ mã được thiết kế đặc biệt lao vào đội hình địch, đồng thời cho tập trung hỏa lực mở đường cho tám chiếc xe thọc sâu vào đội hình địch. tám chiếc xe được đóng thùng kín, bên ngoài bọc thép, mã phu cũng ngồi trong thùng xe, phía trước được khoét lỗ để quan sát và luồn dây điều khiển ngựa, ngựa cũng mang giáp bảo vệ chỉ hở chân và hai mắt. Khi tám chiếc xe lao vào giữa đội hình quân Nguyễn thì phát nổ, mỗi xe mang theo ba trăm cân thuốc nổ và đinh sắt, mảnh gang vụ văng tứ phía, tạo thành những hố sâu hoắm. Quân Nguyễn chết và bị thương bốn nghìn quân, số còn lại hoảng sợ rút lui.
Quân Tây Sơn thừa thế đuổi theo nhưng Thịnh hạ lệnh dừng lại và hợp quân tấn công quân Lê Văn Thịnh. Với lợi thế về hỏa lực quân Lê Văn Thịnh dần núng thế bỏ chạy.
— QUẢNG CÁO —
Sau khi Lê Văn Thịnh rút quân về cố thủ Lũy Trường Dục, Thịnh cho quân bao vây sau đó sai Xuân Quang mang 3 nghìn quân hỗ trợ Trần Quang Diệu đánh Lũy Nhật Lệ. Lũy Nhật Lệ bị thủy quân tấn công mặt trước, Trần Quang Diệu đánh mặt sau, trước đó lại bị mất 5 nghìn quân lên sau 2 ngày lũy bị phá. Quân Tây Sơn tràn sang, thuận thế hợp quân với Vũ Văn Dũng tấn công Lũy Trường Sa. Sau 3 ngày giáp công 2 mặt từ phía biển và sau lưng Lũy Trường Sa cũng bị hạ. Lê Văn Thịnh thấy thất thế liền cho quân ban đêm mở đường máu rút lui.