Tháng Giêng năm Tân Dậu (1801), Nguyễn Văn Trương, Tống Phước Lương, Lê Văn Duyệt, Võ Di Nguy đem quân vào đánh cửa Thị Nại. Đây là trận “thủy chiến” dữ dội nhất của hai phía Tây Sơn - Nguyễn Ánh. Phía Nguyễn Ánh chết 4000 quân trong đó có Thủy sư đô đốc Võ Di Nguy. Nhưng phía Tây Sơn thiệt hại hơn 20 000 quân, 1800 chiến thuyền và 800 đại bác.Công đầu trận này thuộc về Nguyễn Văn Trương. Sau chiến thắng vang dội ở cửa biển Thị Nại (Qui Nhơn) ông dẫn đại quân tiến ra cửa biển Cổ Lũy (Quảng Ngãi) rồi Đại Áp, Đại Chiêm (Quảng Nam). Quân ông đến đâu quân Tây Sơn tan vỡ đến đó, ông chiếm đồn ở Hội An, La Qua, Phú Chiêm, Đại đô đốc Nguyễn văn Xuân, cùng Trấn thủ Văn Tiến Thể của Tây Sơn bỏ chạy, quân ông thu được nhiều chiến lợi phẩm. Ông tiếp tục tiến ra Đà Nẵng, lấy đồn Hải Vân, chiếm cửa biển Tư Hiền, Thuận An và tiến chiếm Phú Xuân. Thừa thắng ông tiến quân ra sông Gianh chặn đường rút lui của Tây Sơn. Sau trận này, Nguyễn Ánh sai mang ấn và dây thao đại tướng đến giữa trại quân trao cho Nguyễn Văn Trương và phong làm Khâm sai chưởng trung quân, Bình Tây đại tướng quân quận công.