ต่อมาหลังจากการสถาปนากรุงธนบุรีเป็นราชธานีแล้ว สมเด็จพระเจ้ากรุงธนบุรี ทรงทราบข่าวเรื่องที่เจ้าพระฝางยกทัพยึดชุมนุมพิษณุโลกได้ และถึงกับส่งกองทัพไปปล้นแย่งชิงข้าวปลาราษฎรลงมาถึงเมืองอุทัยธานี และชัยนาท พระองค์จึงทรงกรุณาโปรดเกล้าฯให้ยกทัพไปปราบในปี พ.ศ. 2313 โดยมีพระยายมราช (บุญมา) เป็นแม่ทัพหน้า กองทัพหน้าของพระยายมราชได้เข้าโจมตีเมืองพิษณุโลกด่านหน้าของเจ้าพระฝาง ซึ่งมีหลวงโกษา (ยัง) คุมกำลังมาตั้งรับอยู่ภายในคืนเดียว แล้วจากนั้นกองทัพหลวงก็ยกไปตีเมืองสวางคบุรี เจ้าพระฝางสู้รบได้ 3 วัน เห็นศึกหน้าเหลือกำลังจึงพาพรรคพวกหลบหนีไปอยู่เมืองเชียงใหม่ ซึ่งในขณะนั้นพม่าปกครองอยู่ กองทัพหลวงจึงยึดเมืองสวางคบุรีได้ และยังได้ลูกช้างเผือกซึ่งตกลูกระหว่างศึกมาอีกด้วย

ล่วงมาถึงปีขาล พ.ศ. 2313 มีข่าวมาถึงกรุงธนบุรีว่า เมื่อเดือน 6 ปีขาล เจ้าพระฝางให้ส่งกำลังลงมาลาดตระเวณถึงเมืองอุทัยธานี และเมืองชัยนาท เป็นทำนองว่าจะคิดลงมาตีกรุงธนบุรี สมเด็จพระเจ้ากรุงธนบุรีจึงมีรับสั่งให้เตรียมกองทัพ จะยกไปตีเมืองเหนือในปีนั้น

ขณะนั้นพวกฮอลันดาจากเมืองยะกะตรา (จาร์กาตา) ส่งปืนใหญ่มาถวาย และแขกเมืองตรังกานู ก็นำปืนคาบศิลาเข้ามาถวาย จำนวน 2,000 กระบอก พอเหมาะแก่พระราชประสงค์ของสมเด็จพระเจ้ากรุงธนบุรี ที่จะใช้ทำศึกต่อไปในครั้งนี้

สมเด็จพระเจ้ากรุงธนบุรีเสด็จพระราชดำเนินโดยกระบวนทัพเรือ ยกกำลังออกจากกรุงธนบุรี เมื่อวันเสาร์ แรม 14 ค่ำ เดือน 8 ไปประชุมพล ณ ที่แห่งใดไม่ปรากฏหลักฐาน จัดกำลังเป็น 3 ทัพ

• ทัพที่ 1 สมเด็จพระเจ้ากรุงธนบุรีเสด็จพระราชดำเนินไปโดยขบวนเรือมีกำลังพล 12,000 คน
• ทัพที่ 2 พระยาอนุชิตราชา ซึ่งได้เลื่อนขึ้นเป็นพระยายมราช ถือพล 5,000 คน ยกไปทางบกข้างฟากตะวันออกของแม่น้ำแควใหญ่
• ทัพที่ 3 พระยาพิชัย ถือพล 5,000 คน ยกไปทางข้างฟากตะวันตก

ฝ่ายเจ้าพระยาฝาง เมื่อทราบว่ากองทัพกรุงธนบุรียกกำลังขึ้นไปดังกล่าว จึงให้หลวงโกษา ยังคุมกำลังมาตั้งรับอยู่ที่เมืองพิษณุโลก

กองทัพหลวงของสมเด็จพระเจ้ากรุงธนบุรี ยกขึ้นไปถึงเมืองพิษณุโลก เมื่อ วันเสาร์ แรม 2 ค่ำ เดือน 9 สมเด็จพระเจ้ากรุงธนบุรีมีรับสั่งให้เข้าปล้นเมืองในค่ำวันนั้น ก็ได้เมืองพิษณุโลก หลวงโกษา ยัง หนีไปเมืองเมืองสวางคบุรี สมเด็จพระเจ้ากรุงธนบุรีได้เมืองพิษณุโลกแล้ว กองทัพที่ยกไปทางบกยังขึ้นไปไม่ถึงทั้งสองทัพ ด้วยเป็นฤดูฝนหนทางลำบาก พระองค์ประทับที่เมืองพิษณุโลกอยู่ 9 วัน กองทัพพระยายมราชจึงเดินทางไปถึง

ต่อมาอีก 2 วัน กองทัพพระยาพิชัยราชาจึงยกมาถึง เมื่อกำลังพร้อมแล้ว สมเด็จพระเจ้ากรุงธนบุรีจึงทรงให้กำลังทางบก รีบยกตามข้าศึกที่แตกหนีไปยังสวางคบุรี พร้อมกันทั้งสองทาง รับกำลังทางเรือให้คอยเวลาน้ำเหนือหลากลงมาก่อน ด้วยทรงพระราชดำริว่า ในเวลานั้นน้ำในแม่น้ำยังน้อย หนทางต่อไปลำน้ำแคบ และตลิ่งสูง ถ้าข้าศึกยกกำลังมาดักทางเรือจะเสียเปรียบข้าศึก ทรงคาดการณ์ว่าน้ำจะหลากลงมาในไม่ช้า และก็เป็นจริงตามนั้น สมเด็จพระเจ้ากรุงธนบุรี ก็เสด็จพระราชดำเนินยกกำลังทางเรือขึ้นไปจากเมืองพิษณุโลก

สมเด็จพระเจ้ากรุงธนบุรีทรงพระกรุณาโปรดเกล้าโปรดกระหม่อมให้พระยาพิชัยราชา คุมทัพไปทางตะวันตก ให้พระยายมราช (กรมพระราชวังบวรมหาสุรสิงหนาท ในรัชกาลที่ 1) คุมทัพไปทางตะวันออก สองทัพสมทบกันโจมตีเมืองสวางคบุรี

สภาพเมืองสวางคบุรี ที่มั่นเจ้าพระฝาง ไม่มีกำแพง มีแต่ระเนียดไม้ขอนสักถมเชิงเทินดิน เจ้าพระฝางสู้ได้สามวันก็แตกพ่ายหนี พาลูกช้างพังเผือกหนีไปด้วย กองทัพพระเจ้ากรุงธนฯ ติดตามไป ได้ช้างพังเผือกคืน ตัวเจ้าพระฝางหายสาบสูญไป

พรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯให้มีละครหญิง สมโภชพระประธานวัดสวางคบุรี 7 วัน นับเป็นงานใหญ่เทียบเท่างานสมโภชพระพุทธชินราช พระพุทธชินสีห์ ที่พิษณุโลก

"เมื่อสมเด็จพระเจ้ากรุงธนบุรีปราบชุมนุมเจ้าพระฝางได้แล้ว ก็เท่ากับได้เมืองเหนือกลับมาทั้งหมด"

พระองค์ได้ประทับจัดการปกครองเมืองเหนืออยู่ตลอดฤดูน้ำ เกลี้ยกล่อมราษฎรที่แตกฉานซ่านเซ็น ให้กลับมาอยู่ตามภูมิลำเนาเดิม จัดการสำรวจไพร่พลในเมืองเหนือทั้งปวง พบว่า *เมืองพิษณุโลกมีพลเมือง15,000 คน *เมืองสวรรคโลก มี 7,000 คน

• เมืองพิชัย รวมทั้งเมือง สวรรคบุรี มี 9,000 คน
• เมืองสุโขทัย มี 5,000 คน
• เมืองกำแพงเพชร และเมืองนครสวรรค์ มีเมืองละ 3,000 คนเศษ

จากนั้นได้ทรงตั้งข้าราชการซึ่งมีบำเหน็จความชอบในการสงครามครั้งนั้นคือ

• พระยายมราช ให้เป็นเจ้าพระยาสุรสีห์พิษณวาธิราช อยู่สำเร็จราชการเมืองพิษณุโลก
• พระยาพิชัยราชา ให้เป็นเจ้าพระยาพิชัยราชา สำเร็จราชการเมืองสวรรคโลก
• พระยาสีหราชเดโชชัย ให้เป็นพระยาพิชัย
• พระยาท้ายน้ำ ให้เป็นพระยาสุโขทัย
• พระยาสุรบดินทร์ เมืองชัยนาท ให้เป็นพระยากำแพงเพชร
• พระยาอนุรักษ์ภูธร ให้เป็นพระยานครสวรรค์
• เจ้าพระยาจักรี (แขก) นั้นอ่อนแอในสงคราม มีรับสั่งให้เอาออกเสียจากตำแหน่งสมุหนายก
• พระยาอภัยรณฤทธิ์ ให้เป็นพระยายมราช และให้บัญชาการกระทรวงมหาดไทยแทนสมุหนายกด้วย

เมื่อจัดการหัวเมืองเหนือเสร็จแล้ว จึงเสด็จพระราชดำเนินกลับกรุงธนบุรี[4]