Khi Quang Trung diễu võ ngoài đồn Ngọc Hồi, đô đốc Long đang trên đường bắc tiến hướng đến Sơn Tây – nơi có đạo quân Vân Quý của Ô Đại Kinh – thì bất thần rẽ sang làng Nhân Mục nay thuộc xã Nhân Chính và Khương Đình và nửa đêm bất ngờ tập kích đồn Khương Thượng của Sầm Nghi Đống.

Theo Thánh vũ ký của Nguỵ Nguyên, các đội voi của Tây Sơn đều có đại bác trên lưng nã vào đồn. Quân Thanh bị đánh bất ngờ trong đêm tối, chết rất nhiều, tan vỡ bỏ chạy. Sầm Nghi Đống thấy không thể giữ được đồn bèn tự sát trên đài chỉ huy ở Loa Sơn (Khu vực phố chùa Bộc – Hà Nội hiện nay).

Một số tài liệu mới mà giới nghiên cứu đưa ra gần đây lại cho thông tin khác về diễn biến trận diệt đồn Khương Thượng. Theo đó, khi quân Thanh bị diệt đáng kể, Sầm Nghi Đống bỏ chạy lên cố thủ tại đài chỉ huy ở Loa Sơn. Đô đốc Long chia quân làm 2: một cánh đánh sang Nam Đồng để tiến vào Thăng Long, một ít quân tiếp tục vây hãm Loa Sơn. Sầm Nghi Đống không tự vẫn ngay mà cố thủ trên đài chờ cứu viện của Tôn Sĩ Nghị, nhưng tới ngày hôm sau không có quân cứu, Sầm mới tuyệt vọng và thắt cổ tự sát.

Nhà thơ đương thời Ngô Ngọc Du đã làm bài thơ Loa Sơn điếu cổ có câu:

Thánh Nam thập nhị kình nghê quán

Chiến điệu anh hùng đại võ công

Dịch:

Thánh nam xác giặc mười hai đống

Ngời sáng anh hùng đại võ công

Khu vực Khương Thượng và xung quanh, do xác quân Thanh chết quá nhiều, sau chất thành 12 gò cao, có đa mọc um tùm gọi là Gò Đống Đa. Trận diệt đồn Khương Thượng cũng còn gọi là trận Đống Đa.

Cũng theo "Thánh vũ ký", đạo quân Vân Nam – Quý châu đóng ở Sơn Tây được tin các đồn thất thủ, tướng Ô Đại Kinh không giao chiến trận nào đã bỏ chạy, nhờ tướng người Việt là Hoàng Văn Đồng dẫn đường chạy về Trung Quốc.

Trên đường tháo chạy, Tôn Sĩ Nghị bị hai cánh quân Tây Sơn của đô đốc Tuyết và đô đốc Lộc chặn đánh ở Hải Dương và Phượng Nhãn, tơi tả chạy về, bỏ lại cả quân ấn, kỳ bài, sắc thư. Trần Nguyên Nhiếp là bí thư dưới quyền Nghị sau này mô tả: Sĩ Nghị cùng Nguyên Nhiếp đi lạc lối, quanh co nhiều chỗ, bị đói khát 7 ngày đêm mới tới ải Nam Quan. Theo giáo sĩ De la Bissachere ở Việt Nam khi đó, số quân Thanh kịp theo Nghị qua bên kia biên giới chỉ có khoảng 50 người.

Lê Chiêu Thống cùng một số cận thần cũng vội chạy theo Nghị thoát sang bên kia biên giới.

Như vậy sớm hơn dự kiến, chỉ trong vòng 6 ngày, quân Tây Sơn đã đánh tan quân Thanh. Cánh quân Điền châu gần như bị diệt hoàn toàn, cánh quân Lưỡng Quảng chủ lực bị thương vong nặng và tan rã gần hết, riêng quân Vân Nam – Quý châu không giao chiến mà rút êm về nước. Quang Trung đã hẹn với ba quân mồng 7 vào ăn tết ở Thăng Long nhưng chỉ đến mồng 5, quân Tây Sơn đã khải hoàn ở kinh thành.

Ngô Ngọc Du là một nhà thơ đương thời, đã ghi lại không khí tưng bừng của ngày chiến thắng oanh liệt đó của Tây Sơn trong một bài thơ:

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"

Sau cuộc chiến, Quang Trung ra lệnh thu nạp và nuôi dưỡng hàng vạn tù binh Mãn Thanh. Ông sai thu nhặt xương cốt quân Thanh tử trận, chôn thành những gò đống, lập đàn cúng tế và sai Vũ Huy Tấn soạn văn tế, biểu thị sự thương xót với những quân, dân Trung Quốc chết xa nhà. Bài văn có đoạn:

Nay ta

Sai thu nhặt xương cốt chôn vùi

Bảo lập đàn bên sông cúng tế

Lòng ta thương chẳng kể người phương Bắc

Xuất của kho mà đắp điếm đống xương khô

Hồn các ngươi không vơ vẩn ở trời nam, hãy lên đường mà quay về nơi hương chí

Nên kính ngưỡng ta đây là chủ, chan chứa lòng thành

Nhưng mong sao đáp lại đạo trời, dạt dào lẽ sống 

Theo ý kiến của các nhà ngiên cứu: chiến thắng Kỷ Dậu 1789 là một trong những trận chiến chống ngoại xâm nổi tiếng nhất trong lịch sử Việt Nam và cũng được các sử gia Việt Nam như Nguyễn Lương Bích và Phạm Ngọc Phụng đánh giá là chiến công oanh liệt nhất của hoàng đế bách chiến bách thắng Nguyễn Huệ. Chiến thắng này đã chặn đứng ý định xâm chiếm Đại Việt của nhà Thanh dưới thời Càn Long thịnh trị.

Sử quan nhà Nguyễn là Trần Trọng Kim năm 1920 cũng phải ngợi khen chiến tích này: "ông Nguyễn Huệ mới lên ngôi Hoàng Đế, truyền hịch đi các nơi, đường đường chính chính, đem quân ra đánh một trận phá 20 vạn quân Tàu, tướng nhà Thanh là Tôn Sĩ Nghị phải bỏ cả ấn tín mà chạy, làm cho vua tôi nước Tàu khiếp sợ, tướng sĩ nhà Thanh thất đảm. Tưởng từ xưa đến nay nước ta chưa có võ công nào lẫm liệt như vậy".

Hành quân thần tốc, hạ chớp nhoáng liên tiếp gần 10 đồn, tiêu diệt đội quân địch đông hơn từ cường quốc phương bắc. Tất cả chỉ diễn ra trong 6 ngày. Yếu tố bất ngờ trong chiến thuật của Quang Trung luôn khiến quân Thanh lâm vào thế bị động. Bất ngờ chiến lược mà ông giành được là đánh địch ở không gian và thời gian do mình lựa chọn.

Đầu tiên là việc ra quân thần tốc. Các giáo sĩ cũng ghi nhận là trong lần ra Bắc thứ hai, Nguyễn Huệ "tiến 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". Tôn Sĩ Nghị ban đầu yên tâm với hệ thống đồn phòng thủ liên tiếp nương tựa nhau, định cho quân nghỉ ngơi tới mùng 6 tết mới ra quân đánh Tây Sơn. Nhưng Tây Sơn hành quân quá nhanh tới Tam Điệp ngay từ trước Tết nguyên đán buộc Nghị phải thay đổi kế hoạch. Từ chủ định tấn công, Nghị không kịp điều quân thực hiện ý định đó mà phải phòng thủ chờ quân Tây Sơn đến

Trong suốt cuộc hành quân bắc tiến, đạo quân chủ lực do đích thân Quang Trung chỉ huy chính là đạo quân giao chiến nhiều nhất. Liên tiếp hạ các đồn Gián Khẩu, Nguyệt Quyết, Nhật Tảo rồi Hà Hồi, tưởng chừng mũi chủ công đang đà thắng trận này sẽ sấn ngay tới Ngọc Hồi dù nó kiên cố. Thấy quân Tây Sơn tiến nhanh và đã bị choáng váng vì mất liền mấy đồn từ Hà Hồi về phía nam nên quân Thanh sẵn sàng nghênh chiến ở Ngọc Hồi ngoài cửa ngõ Thăng Long. Việc Quang Trung hành quân quá nhanh và hạ các đồn tiền tuyến cũng quá mau lẹ khiến quân Thanh ở Ngọc Hồi bị động, không dám chủ động tác chiến. Nhưng đó chính là lúc biến ảo nhất trong chiến thuật quân sự của Quang Trung tại lần bắc tiến này.

Theo sách của Nguyễn Lương Bích, Phạm Ngọc Phụng thì mũi tên bay rất nhanh, từng xuyên thủng liên tiếp các rào cản thì bất chợt dừng lại trước đồn Ngọc Hồi. Quang Trung bất ngờ hoãn binh không đánh, chỉ phô trương thanh thế cho đạo quân của đô đốc Long, tưởng như sẽ đánh thẳng vào đạo quân Vân Quý của Ô Đại Kinh ở Sơn Tây thì lại rẽ bước ngoặt quyết định vào đồn Khương Thượng - sườn tây Thăng Long - chỗ Tôn Sĩ Nghị không ngờ đến. Cuộc tập kích của đô đốc Long bất ngờ và mạnh mẽ tới mức khi đồn Ngọc Hồi – lá chắn tin tưởng nhất của Nghị - chưa mất, Nghị đã bỏ chạy. Việc quân đô đốc Long tung hoành trong kinh thành khiến đồn Ngọc Hồi dù kiên cố song quân Thanh ở đó cũng giảm nhiều nhuệ khí khi kinh thành sau lưng đã bị hạ - không còn được che chắn và tiếp viện từ đại doanh của chủ soái họ Tôn. Mục tiêu trước mắt đạo quân chủ lực của Quang Trung, chỉ sau một hôm, lại không còn là trở ngại lớn như ban đầu nữa. Đó mới là lúc ông thúc quân đánh chiếm đồn.

Như vậy là đạo quân chủ lực tác chiến nhiều nhất lại không phải là đạo quân đâm nhát kiếm quyết định vào quân Thanh để giải phóng Thăng Long. Đại doanh tan vỡ, chủ soái Tôn Sĩ Nghị bỏ chạy khiến quân Vân Quý không đánh phải tự rút. Trường hợp này tương tự như đạo quân Vân Nam của Mộc Thanh tháo chạy trong khởi nghĩa Lam Sơn, khi đạo quân chủ lực của Liễu Thăng đã bị diệt.

Theo các nhà nghiên cứu Nguyễn Lương Bích, Phạm Ngọc Phụng, chiến thuật kết hợp vừa gấp gáp vừa thư thả, giương đông kích tây, tránh chỗ mạnh nhằm chỗ yếu hơn ở Ngọc Hồi – Khương Thượng đã đạt đến đỉnh cao trong nghệ thuật quân sự của Nguyễn Huệ. Trong 3 đạo quân Thanh, cánh quân đông đảo nhất, mạnh nhất là của Tôn Sĩ Nghị và cánh quân ít nhất, yếu nhất chính là quân Điền châu của Sầm Nghi Đống. Quang Trung đã chọn mục tiêu đánh vào quân Điền châu vừa yếu nhất lại vừa dùng kỳ binh đánh bất ngờ, vào thời điểm nửa đêm nên khả năng chiến thắng rất cao. Xét trên toàn cục, tuy lực lượng ít hơn (10 vạn so với 20 vạn), nhưng do biết tập trung binh lực đánh vào những khu vực then chốt của địch nên quân Tây Sơn thực tế chỉ đương đầu với khoảng già nửa số quân Thanh sang Đại Việt, nên lực lượng tương đối cân bằng. Quang Trung đã không dàn lực lượng tác chiến cùng lúc với tất cả các cánh quân Thanh (không đánh cánh quân Vân Quý của Ô Đại Kinh) mà vẫn có chiến thắng lớn trên toàn mặt trận, đuổi được quân Thanh ra khỏi bờ cõi.

Những trận kịch chiến ở Khương Thượng (hay Đống Đa) và Ngọc Hồi là lớn nhất, ác liệt nhất, mang tính quyết định nhất trong toàn bộ chiến dịch Bắc tiến đánh quân Thanh của Quang Trung. Vì vậy, mặc dù chiến dịch phá quân Thanh còn nhiều trận đánh khác nhưng đời sau vẫn thường gọi trận chiến này là trận Ngọc Hồi - Đống Đa.

Nhà nghiên cứu Hồ Bạch Thảo nhận định: "Cặp mắt chiến lược của Càn Long coi thành Thăng Long là chỗ dễ đánh nhất, nếu vua Quang Trung đóng tại đó, coi như con chim đã vào trong “lồng” của y; ngoài ra Càn Long còn cần thận soạn ra kế hoạch vượt sống Hồng, gọi là “ám độ”. Nhưng khi vào thành, thì quân Tây Sơn đã rút gần hết. Rồi với thiên tài dụng binh của vua Quang Trung, thành Thăng Long trở thành cái “lồng” nhốt quân Thanh, Tôn Sĩ Nghị bị quân Tây Sơn truy kích bèn ra lệnh chặt cầu, hành động đớn hèn này giết tất cả Đề Trấn dưới quyền".

Trận Ngọc Hồi – Đống Đa chấm dứt sự tồn tại của nhà Hậu Lê. Lê Duy Kỳ chạy sang lưu vong rồi chết ở Yên Kinh. Vua Tây Sơn – hoàng đế Quang Trung sau đó không lâu chính thức được nhà Thanh công nhận, trở thành người cai quản Bắc Hà. Chiến thắng này cũng đánh dấu bước phát triển cực thịnh – dù không dài - của nhà Tây Sơn.

Trong bài thơ "Lịch sử nước ta", lãnh tụ Hồ Chí Minh ca ngợi vua Quang Trung: 

"Nguyễn Huệ là kẻ phi thường
Mấy lần đánh đuổi giặc Xiêm, giặc Tàu.
Ông đã chí cả mưu cao,
Dân ta lại biết cùng nhau một lòng.
Cho nên Tàu dẫu làm hung,
Dân ta vẫn giữ non sông nước nhà." 

                                 Đền thờ hoàng đế Quang Trung (Núi Dũng Quyết)