Mùa hè năm 1786, quân Tây Sơn tiến ra đàng ngoài lập đổ chế độ chúa Trịnh. Ngày 21/7/1786 quân Tây Sơn đã làm chủ Thăng Long nền thống trị của họ Trịnh tồn tại 241 năm (1545 - 1786) trong đó có 194 năm ở Thăng Long bị lật nhào. Bằng chiến công này phong trào Tây Sơn đã kiểm soát cả nước xoá bỏ tình trạng chia cắt Đàng Trong - Đàng Ngoài kéo dài hơn 2 thế kỷ.
Nhưng Nguyễn Huệ, vị tướng tổng chỉ huy quân Tây Sơn đã trao chính quyền lại cho vua Lê. Để gắn bó, vua Lê gả con gái cho Nguyễn Huệ. Ngày 4/8/1786 Thăng Long chứng kiến một đám cưới chưa từng có: Công chúa Bắc Hà lá ngọc cành vàng lấy một ông tướng Nam Hà cờ đào áo vải.
Sau đó, Nguyễn Huệ về Nam, vua Lê Chiêu Thống không điều hành được việc nước. Các cánh quân phiệt nổi lên tranh giành quyền binh. Quân Tây Sơn phải 2 lần ra dẹp loạn. Trong đó lần thứ 2 do Nguyễn Huệ đích thân chỉ huy. Trong 1 tháng lưu lại ở Thăng Long ông đã thu nạp nhiều sĩ phu tiến bộ như Ngô Thì Nhậm, Phan Huy ích... tổ chức lại bộ máy chính quyền. Nhưng cuối năm 1788 Thăng Long và đất nước Đại Việt phải đương đầu với một cuộc chiến tranh xâm lược quy mô lớn của đế chế Mãn Thanh.
Lê Chiêu Thống trốn khỏi Thăng Long đã cho người sang cầu cứu nhà Thanh. Nhà Thanh phát 29 vạn quân xâm lược Đại Việt. Quân Tây Sơn theo kế của Ngô Thì Nhậm bỏ Thăng Long rút về giữ phòng tuyến Tam Điệp - Biện Sơn chờ lệnh Nguyễn Huệ. Ngày 16/12/1788 quân Thanh vào Thăng Long kéo theo vua Lê Chiêu Thống.
Tin về Phú Xuân, ngày 22/12/1788 Nguyễn Huệ lên ngôi vua lấy hiệu Quang Trung rồi lập tức lên đường ra Bắc đuổi giặc. Ngày 15/1/1789 tập kết tại Tam Điệp. Đúng đêm giao thừa Tết Kỷ Dậu (25/1/1789) quân Tây Sơn vượt Tam Điệp và cuộc tấn công bắt đầu. Sáng mùng 5 tết (30/1/1789) cùng một lúc đánh đồn Ngọc Hồi và đồn Đống Đa. Trưa hôm đó đại thắng, quân Thanh tháo chạy, tướng chỉ huy bỏ rơi cả ấn tín!
Quang Trung đóng đô ở Huế. Thăng Long là thủ phủ của Bắc Thành (Bắc Bộ ngày nay). Tuy vậy hoàng thành vẫn được chính quyền Tây Sơn tu sửa. Những chính sách khuyến nông, phát triển công thương của Quang Trung đã tác động đến kinh tế vùng Thăng Long.
Diện mạo chùa Kim Liên đẹp và thanh nhã bên Hồ Tây như hiện nay, là có từ thời Tây Sơn. Kiệt tác Phú Tụng Phủ Tây Hồ của Nguyễn Huy Lượng được viết vào thời này. Tác phẩm Ai Tự Vãn của bà Ngọc Hân, văn thơ của Phan Huy ích, Ngô Thì Nhậm, Đoàn Nguyên Tuấn ... mang hơi thở một thời Tây Sơn hào hùng.
Lịch sử Tây Sơn ngắn ngủi nhưng đã để lại những dấu ấn đậm đà trên trang sử Thăng Long - Hà Nội.