Ngày 27-5-1801, Trần Quang Diệu đưa quân vào làm chủ thành Quy Nhơn. Ít lâu sau, Nguyễn Ánh sai Lê Văn Duyệt và Lê Chất đưa quân thủy và bộ từ Quảng Ngãi vào đánh Quy Nhơn, Nguyễn Văn Thành và Nguyễn Huỳnh Đức kéo quân từ Phú Yên ra phối hợp. Phủ Quy Nhơn vừa giải phóng đã bị quân Nam bao vây tứ bề. Là chủ soái, Trần Quang Diệu cầm binh giữ thành, để Võ Văn Dũng, Nguyễn Văn Lộc, Nguyễn Quang Huy chia quân chống giữ các phía.
Trong cuộc đối đầu giữa các danh tướng của hai bên, nhiều trận giao tranh ác liệt diễn ra. Trận đánh oanh liệt nhất của quân Tây Sơn lúc bấy giờ ở Quy Nhơn là trận phục kích ở núi Kỳ Sơn, do đô đốc Lộc chỉ huy. Kỳ Sơn là một dãy núi có nhiều ngọn cao thấp nối liền nhau chạy dài theo hướng bắc nam, bao quanh đến vài mươi dặm, trông như một bức trường thành ở phía đông huyện Tuy Phước, án ngữ phía đông nam thành Quy Nhơn. Xưa nay, trong giao tranh các thời đại, quân đối phương cho binh thuyền vào cửa Thử và cửa Thị Nại, muốn tiến lên đánh thành Đồ Bàn thuở trước hay thành Quy Nhơn về sau, đều phải vượt qua tuyến phòng ngự ở dãy núi này mới có thể bao vây hạ thành. Lúc bấy giờ Nguyễn Văn Thành và Lê Văn Duyệt tập trung tới 3 vạn quân Nam, quyết phá tan tuyến phòng ngự Kỳ Sơn, tiến lên đánh chiếm thành Quy Nhơn.
Trấn giữ Kỳ Sơn, đô đốc Lộc chỉ có trong tay 8.000 quân. Nhưng nhờ được bố phòng chiến lũy ngay trên quê hương mình, nên ông biết rõ từng hẻm núi, hang đá, con suối, quãng đèo, nơi thuở nhỏ, ông vẫn cùng chúng bạn bắn chim, bẫy thú hay chia phe đánh trận. Nhờ vậy, ông mưu trí chọn phục binh ở 20 điểm xung yếu nhất. Ỷ thế tướng mạnh quân đông, quân Nam chia làm nhiều mũi ào ạt xông lên đánh chiếm chiến lũy. Từ nơi ẩn nấp, chờ cho quân địch lọt vào trận địa phục kích, quân Tây Sơn dũng mãnh xông ra, tả xung hữu đột. Gươm chém, giáo đâm, súng nổ vang trời. Cả vùng núi quanh Kỳ Sơn như một biển lửa, tiêu diệt quân thù. Bị đánh bất ngờ, 3 vạn quân Nam kẻ chết, người bị thương, khiếp sợ tháo chạy. May thoát chết, Nguyễn Văn Thành và Lê Văn Duyệt dẫn tàn quân lui về các đồn binh ở cửa Thử và Thị Nại, dựa vào tàu thuyền cố giữ mặt biển Quy Nhơn.
Sau đó, ở Quy Nhơn, khi nghe tin vua Bửu Hưng bại trận Nhật Lệ, Trần Quang Diệu liền họp các tướng bố trí Nguyễn Quang Huy đưa quân ra đóng ở núi Dương An, Nguyễn Văn Lộc vẫn giữ Kỳ Sơn, hai bên nương tựa vào nhau; còn Võ Văn Dũng cùng mình mang tinh binh theo đường Trường Sơn ra bắc hộ giá. Quân Nam ở Thị Nại sợ quân Tây Sơn làm kế nghi binh mai phục nên không dám kéo lên đoạt thành bỏ trống. Ít lâu sau, nghe tin Gia Long đã chiếm được Thăng Long, vua Cảnh Thịnh và Trần Quang Diệu, Bùi Thị Xuân đều bị bắt, triều Tây Sơn sụp đổ, Nguyễn Văn Lộc họp quân bản bộ, phân phát hết quân lương rồi bảo họ về quê thay tên đổi họ, tìm nơi ẩn náu. Vị dũng tướng Tây Sơn cũng cải dạng, giấu mình trên chốn núi rừng Kỳ Sơn, làm bạn với núi rừng và khe suối.
| 
