Thái phó Trần Quang Diệu cho quân đắp lũy vây thành Bình Định (Thành Hoàng Đế - Quy Nhơn) cả bốn mặt, đốc quân đánh hàng ngày. Do thành cao và chắc nên chuyện đánh úp rất khó với quân Tây Sơn. Việc mở đường máu từ trong thành ra hầu như không thể.
Để giữ vững thành bước qua tháng thứ mười bốn, quân và dân dưới sự lãnh đạo của Quận công Võ Tánh và Lễ bộ Ngô Tùng Châu có kỷ luật và tinh thần chiến đấu cực kỳ mạnh mẽ. Lương thực cạn, chỉ có một đường ngầm duy nhất thông ra ngoài để gửi thư mật báo cho Chúa Nguyễn. Trước tình hình ngày càng nguy cấp bởi sức lực binh sĩ hao mòn, Quận công Võ Tánh chỉ đạo giết voi và ngựa yếu để dùng qua ngày.
Có người đến khuyên Quận công và Lễ bộ hãy bỏ trốn về hội quân cùng chúa Nguyễn ở ngoài thành, Ngài gạt phăng nói "Ta phụng mệnh Chúa thượng để giữ thành, giờ lo thân bỏ chạy thì làm sao ăn nói với quân đang chiến đấu cùng mình và cả Chúa thượng"
Sau trận thủy chiến lớn nhất trong lịch sử tại Thị Nại, quân Nguyễn chiến thắng, đẩy binh lực Tây Sơn dồn về tăng cường quyết lấy lại thành Bình Định. Quận công Võ Tánh lập tức gửi mật thư báo Chúa Nguyễn nên đánh lấy Phú Xuân vì đây là cơ hội ngàn vàng để gầy cơ nghiệp. Ông biết chắc chắn Chúa Nguyễn sẽ dồn quân đánh thành Bình Định để giải vây cho quân Nguyễn bị bao vây gần mười bốn tháng.
Mở cửa thành xua quân đánh nghi binh, quân Tây Sơn bị hút vào trận chiến tại thành Bình Định, khi biết quân Nguyễn đã chiếm được Phú Xuân, Võ Tánh bảo Lễ bộ Ngô Tùng Châu: "Ta sẽ chết tại thành này chứ không để rơi vào tay giặc, còn ông ráng lo liệu bảo toàn tính mạng vì quân thù ít giết quan văn". Nói xong ông cho lập đàn hoả thiêu, có thêm chất nổ. Đàn chưa xong thì ông nghe quân báo Lễ bộ Ngô Tùng Châu đã uống thuốc độc tự vẫn. Ông khâm liệm người đồng liêu với hai dòng nước mắt than rằng "Ông lại đi trước tôi một bước, hỡi quan văn anh hùng".
Về trại, ông viết thư rồi sai lính mở thành gửi Thái phó Trần Quang Diệu: "Ta với ông cùng vai chủ tướng, chỉ khác là không cùng thờ một chúa, nay ta quyết thác để trao thành, chỉ mong ông không tàn sát quân lính và dân lành".
Bước lên giàn hoả với quan phục chỉnh tề, ông quay về hướng Phú Xuân, nơi Chúa Nguyễn đang ngự để hành lễ. Ông châm điếu thuốc rít vài hơi và thẩy vào bành thuốc nổ. Một tiếng nổ cực lớn, lửa cháy và xác gỗ bay tứ tung, cả hàng quân quỵ xuống để đưa tiễn chủ tướng của mình.
Cửa thành mở, quân Tây Sơn tràn vào, Thái phó Trần Quang Diệu tận mắt chứng kiến cảnh bi hùng của người chủ tướng đang là đối thủ của mình. Ông nghiêng mình tạ lễ và ra lệnh an táng Võ Tánh chu đáo, chỉ đạo quân Tây Sơn không giết một ai trong thành.
Khi lên ngôi Hoàng Đế, vua Gia Long tiến hành trả thù Tây Sơn bằng nhiều hình thức ghê rợn, riêng Trần Quang Diệu, ông cho chọn cách tự sát bằng thuốc độc.
Bìa sách "Trung Tiết Anh Hùng - Lịch sử ông Võ Tánh" (1930) của tác giả Huyền Mặc đạo nhân miêu tả cảnh Quận công Võ Tánh tự sát
