Năm 1783, ông đánh nhau với quân Tây Sơn ở Đông Tuyên, nhưng bị thua, bị bắt cùng với 500 thuộc hạ. Chỉ huy quân Tây Sơn là Nguyễn Huệ thấy ông khỏe mạnh, nên thu dùng. Ông chịu theo Tây Sơn nhưng có lời giao kết là ông chỉ đánh quân Trịnh, chứ không đánh nhau với quân của chúa Nguyễn.
Năm 1786, Nguyễn Huỳnh Đức theo Nguyễn Huệ ra Bắc Hà đánh nhau với quân Trịnh, rồi về làm Phó tướng cho Nguyễn Văn Duệ. Ông Duệ trước là tướng tâm phúc của Nguyễn Nhạc nên không thích ở dưới quyền của Nguyễn Huệ. Muốn lợi dụng việc này để trốn về với chúa Nguyễn, Nguyễn Huỳnh Đức bàn với Nguyễn Văn Duệ rằng hãy theo đường tắt mà lẻn về với Nguyễn Nhạc. Tin lời, ông Duệ dẫn hơn 5000 quân băng rừng rậm về Quy Nhơn. Trên đường, Nguyễn Huỳnh Đức lựa dịp trốn sang Vạn Tượng rồi qua Xiêm La (Thái Lan). Nhưng khi ông đến nơi, chúa Nguyễn đã về Gia Định. Vua Xiêm La muốn giữ lại, nhưng ông cương quyết về với chúa Nguyễn.