Giai đoạn 2 bắt đầu từ ngày 27 tháng 8 năm 1826. Chiến sự tập trung tại Lạng Sơn và Móng Cái tuy giao tranh tại Lào Cai, Hà Giang, Lai Châu, Cao Bằng vẫn tiếp diễn. Trận đánh chiếm thị xã Lạng Sơn bắt đầu lúc 6 giờ sáng cùng ngày. Quân Thanh điều tới đây thêm 2 sư đoàn từ Đồng Đăng và Lộc Bình (phía đông nam Lạng Sơn), tiếp tục đưa thêm quân tiếp viện từ biên giới thâm nhập Việt Nam để tăng viện. Trong thời gian này quân triều đình cũng điều quân đội lên do tướng Duyệt chỉ huy, tướng Duyệt ra lệnh: “hai sư đoàn tập trung tiếp ứng phòng thủ lạng Sơn”.

Tại Lạng Sơn, hai Sư đoàn cùng dân quân của Đại Nam đã tổ chức phòng thủ chu đáo và phản ứng mãnh liệt trước các đợt tấn công lớn của quân Thanh. Từ ngày 27 tháng 8 tới ngày 2 tháng 9 năm 1826, 1 sư đoàn cùng quân dân Đại Nam đã trụ tại khu vực xã Khánh Khê. Sư đoàn còn lại phải chống trả 3 sư đoàn bộ binh và kỵ binh cùng nhiều loại pháo, tiến công trên một chiều dài 20 km từ xã Hồng Phong huyện Văn Lãng đến xã Cao Lâu huyện Cao Lộc. Suốt ngày 27, ở hướng Cao Lộc, sư đoàn bộ binh quân Thanh không phá nổi trận địa phòng thủ của trung đoàn kỵ binh bộc thép của Đại Nam; ở các hướng đường khác, các sư đoàn của quân Thanh bị ghìm chân hoặc bị quân Đại Nam chặn đánh kiểu vây hảm.

Nhưng 14 giờ ngày hôm đó, 1 tiểu đoàn quân Thanh bí mật luồn qua phía sau bất ngờ đánh chiếm điểm cao 800, nơi đặt đài quan sát pháo binh chủ lực của Đại Nam. Mất điểm cao 800, thế trận phòng ngự của Đại Nam ở phía tây đều bị chọc thủng một cách dễ dàng, tướng Duyên cho cũng cố lại lực lượng: “Chúng ta phải bảo vệ được Lạng Sơn”.

Dùng quân Thanh có chiếm được điểm cao 800 và Tam Lung, nhưng trong suốt các ngày từ 28 tháng 8 đến 2 tháng 9, quân Thanh vẫn không vượt qua được đoạn đường 4 km để vào thị xã Lạng Sơn, tuy đã dùng cho hướng tiến công này gần 5 sư đoàn bộ binh. Sau nhiều trận đánh đẫm máu giành giật các điểm cao quanh Lạng Sơn, mà có trận quân phòng thủ Đại Nam đánh đến viên đạn cuối cùng, quân Thanh bắt đầu bao vây thị xã Lạng Sơn từ ngày 2 tháng 3 sử dụng thêm sư đoàn dự bị tấn công đồng loạt trên nhiều hướng. Tới sáng ngày 4, quân Thanh đã chiếm được mạng bắc Lạng Sơn và chiều cùng ngày, một cánh quân Thanh đã vượt sông Kỳ Cùng, chiếm điểm cao 340 và tiến vào chiếm các phần còn lại của Lạng Sơn.

Tại Móng Cái, quân Thanh chiếm được Phòng Thành một cách dễ dàng từ ngày 12 tháng 8, nhưng khi tấn công vào Móng Cái - Đông Hưng quân Thanh lại bị đội pháo binh mạnh của Đại Nam áp đảo. Từ ngày 13 tới ngày 30 tháng 8, quanh Thanh đã tận dụng tới 6 sư đoàn bộ binh và 2 sư đoàn kỵ binh mà chỉ chiếm được Đông Hưng và phía đông nam Móng Cái. Đại Nam đã lập trận quân phòng thủ dọc bờ tây song Ka Long, dùng ưu thế về pháo binh để trị quân Thanh. Sau đó quân từ Hà Nội và Hải Phòng tới ứng viện hỗ trợ áp sát mặt trận, chuẩn bị phản công giải phóng các khu vực bị chiếm đóng.

Đến ngày 5 tháng 9, bắt đầu triển khai phương án mở chiến dịch phản công. Cùng thời điểm này lực lượng tăng cường của quân Nguyễn Ánh cũng đã hoàn tất triển khai vào vị trí chiến đấu trên tuyến Chi Lăng – Đồng Mỏ – Hữu Kiên phía nam thị xã. Trung đoàn pháo binh với 3 hệ thống phóng hỏa tiễn đã tập kết và lấy phần tử sẵn sàng khai hỏa. Rồi cuộc phản công cũng đã bắt đầu từ 6 tháng 9 tới 6 tháng 10 năm 1826, cộng với việc quân Thanh rút lui ồ ạt thì quân Đại Nam đã chiếm lại được một số vị trí. Mặc dù quân Thanh tuyên bố rút quân, chiến sự vẫn tiếp diễn ở một số nơi và Dân thường Đại Nam vẫn tiếp tục bị giết. Trong thời gian chuẩn bị rút quân, quân Thanh còn phá hủy một cách có hệ thống toàn bộ các công trình xây dựng, từ nhà dân hay cột điện, tại các thị xã, thị trấn Sapa, Đồng Đăng, Lạng Sơn,…

Hai sư đoàn pháo binh và kỵ binh lên tham chiến từ ngày 6 tháng 8 tại khu vực cầu Khánh Khê ở Lạng Sơn để chi viện cho các đơn vị đang chặn đánh quân Thanh. Sư đoàn này đến nơi quá muộn để thay đổi cục diện trận đánh tại Lạng Sơn, nhưng đã cùng sư đoàn do tướng Duyệt chỉ huy tổ chức phản kích đánh vào quân Thanh rút lui qua ngả Chi Mã. Bốn sư đoàn do Nguyễn Ánh chỉ huy tới hỗ trợ Móng Cái vào ngày 6 tháng 10 và cũng chặn đánh quân Thanh rút qua Phòng Thành. Ngày 8 tháng 10 năm 1826, quân Thanh tuyên bố hoàn tất việc rút quân khỏi Đại Nam. Phía Quân đội Đại Nam để trả đũa cũng đã phản kích đánh vào các thị trấn, thị xã, huyện biên giới của nhà Thanh là Ma Lật Pha, Bằng Tường, Ninh Minh, Hà Khẩu,… sau đó rút quân về biên giới để phòng thủ tới hết tháng 11 năm 1826. Ngoài các thương vong về con người, tổn thất cụ thể về cơ sở vật chất hạ tầng ở các tỉnh biên giới bị phá hủy do trận chiến. kết quả chiến đấu của họ như sau:

Mặt trận Lạng Sơn: diệt 10.000 quân Thanh. Về phía Đại Nam có 3.950 quân tử trận, 1.400 quân bị thương.

Mặt trận Cao Bằng: diệt 8.000 quân Thanh. Về phía Đại Nam có 1.240 quân tử trận, 490 quân bị thương.

Mặt trận Hoàng Liên Sơn (Lào Cai): diệt 6.570 quân Thanh. Về phía Đại Nam có 860 quân tử trận, 230 quân bị thương.

Mặt trận Quảng Ninh, Lai Châu và Hà Tuyên (Hà Giang): diệt 14.000 quân Thanh. Về phía Đại Nam có 2.000 quân tử trận, 545 quân bị thương.