积粮筹款
1875年5月，清政府任命左宗棠为钦差大臣，督办新疆军务。此时，集结在西征军大本营肃州（今酒泉市）的清军，已经有一百多个营，当时，“营”是西征清军编制的基本单位，步队每个营有勇丁大约五百人和伙夫二百人，马队每个营则有二百五十人和二百五十匹战马。因此，左宗棠手下已经握有七万之众。
眼见左宗棠大军即将进军新疆。对新疆土地一直虎视眈眈的沙皇政府派来了一个以索思诺夫斯基中校为首的“科学贸易考察队”，而这个使团的真正目的则是考察西征清军的情报。
1875年7月，沙俄的特务使团抵达兰州。在27天的“考察”期间，他们惊愕地发现，面前的这支清军手中使用的武器不再是古老的冷兵器和早期火器，而是包括19世纪70年代刚刚研发成功的先进火器，比如德国大名鼎鼎的毛瑟步枪的“开山之作”：M1871型11毫米后膛枪与美国制造的“雷明顿（Remington）一号步枪”。后者也是一代名枪，闭锁牢固可靠，长距离射击极为精确。此枪的生产时间长达51年（1865～1916年），仅美国的雷明顿正厂就生产了超过四百万支！各国的“山寨”产品还不在其内，其中上海江南制造局也制造了数万支。清军拥有的近代武器不但质量堪比同时期的欧洲军队，数量上也毫不逊色。以左宗棠西征军的主力，西宁道尹刘锦棠所部的老湘军为例，这支一万三千人的精锐部队（步兵十八个营，骑兵七个营），拥有各种来福枪多达两万支。
目睹清军的强大实力之后，俄国特务使团的团长索思诺夫斯基毫不含糊地得出了结论：“（阿古柏）事业已告失败，这里不过是时间问题，因为交战双方力量对比悬殊太大”。这与稍后窜入喀什噶尔承担类似使命的俄国人普尔热瓦尔斯基“阿古柏的‘王国’在不久的将来就要垮台，最大的可能，这个‘王国’将被中国人征服”的观点不谋而合，清楚地揭示了阿古柏政权即将覆灭的命运。
在近代的中国历史上，老谋深算的帝国主义者，通常不会去扶植一个将要失败的代理人，武昌起义后的清朝政府如是，三大战役惨败后的国民党政权如是。此时的阿古柏，也被他的“最亲爱的朋友”沙皇俄国抛弃。沙俄侵略者“友好”地提出愿意向大清帝国的西征大军提供粮食，其真实用意则是妄图使“七万武装得不错、守纪律、善战的而仅因为缺粮而不能打仗的军队”依存于俄国人的给养，以迫使清廷在政治上让步。此外，把产自被俄国霸占的中国伊犁地区的粮食出售给中国，可以牟取高达33倍的暴利！这真是“一箭双雕”的如意算盘。
粮食是军队的命脉，俄国人看到了这点，而左宗棠也没有忽视《孙子兵法》中“军无粮食则亡”的告诫。为此，左宗棠一方面下令前线部队在哈密一带屯田，一方面建立了三条运粮路线：一是从甘肃河西采购军粮，出嘉峪关，过玉门，运至新疆的哈密，二是由包头、归化（今呼和浩特）经蒙古草原运至新疆巴里坤，三是从宁夏经蒙古草原运至巴里坤。经过艰苦的努力，加上天公作美：1874-1876年甘肃连续三年风调雨顺获得多年罕有的丰收，到了1876年夏季开战前，左宗棠已经搜集了四千多万斤粮食，足可供7万大军食用一年。粮食问题终获解决，沙俄的阴谋也因此落空。
不过，从西征军大本营肃州前往被阿古柏占据的乌鲁木齐的路程是850公里，从河西运粮到乌鲁木齐附近，每百斤粮食的运费就高达二十两白银，差不多是凉州一带粮食原价的二十倍，要为进抵乌鲁木齐的数万大军提供粮食，每年仅运费一项就得多支出白银二百万两以上。而阿古柏的巢穴喀什噶尔更是远在1800公里之外！
财政窘迫的清政府无力负担如此巨大的费用，但西征之事已是箭在弦上不得不发，因此清廷下诏“（左）宗棠乃社稷大臣，此次西征以国事而自任，只要边地安宁，朝廷何惜千万金！”允其自借外债。1876年起，由著名的“红顶商人”胡光墉（即胡雪岩）经手，左宗棠在上海滩向英国汇丰银行先后以高达10％左右的年息借款四次，总计白银1595万两！借外债（而且是高利贷）打仗，当然不是什么光荣的事情，左宗棠自己也承认借外债是“仰鼻息于外人”。但终究避免了因财力不济，使得西征大业功亏一篑的结果。
北疆光复
1876年4月起，大批清军先后经过星星峡西进。到7月下旬，连同原驻塔城、哈密的部队，清军已在新疆集结八十余营。在星星峡以东，坐镇肃州城指挥全局的左宗棠手中尚握有二十个营的预备队。得悉清军西进，正在“成天骑着高头大马，挥霍金银，吃着人间少有的饭菜”，肆意寻欢作乐，后宫充斥着六百多名抢掠来的各族妇女的阿古柏只得仓皇迎战。
从表面上看，阿古柏的军队实力相当不弱。他的军队和清军一样，由步兵（“沙尔巴兹”）利骑兵（“吉杰特”）和炮兵（“托普奇”）组成，总兵力多达五万人，其中骑兵约占三分之一。步兵的武器是火枪，骑兵则使用火枪和腰刀。
阿古柏军队中的火枪大半是火绳枪，这是一种古老的火器，和清代前期大量使用的鸟枪基本相当，弹药装得很慢，射程也不超过二百步。
但是，阿古柏也从英属印度和奥斯曼帝国（1873年，奥斯曼帝国“册封”阿古柏为“埃米尔”，阿古柏则承认所谓“哲德沙尔汗国”是奥斯曼苏丹的臣属）获得了大约八千支恩菲尔德M1853前装线膛枪和四千支斯奈得—恩菲尔德M1866后装线膛枪。前者在当时虽然稍显落伍，但这种口径0.577英寸的线膛枪曾是当时英军的制式步枪，它的性能可靠，射击精度高，堪称前装线膛枪的完美谢幕；后者从前者改造而来，是当时的一流武器。前装枪改后装枪的具体办法是：将M1853步枪的膛尾一段7厘米长的内膛挖掉，安装上一个铰链联结的枪机，既可以右翻离开枪膛，又可左翻向下把枪弹关闭于枪膛内，枪机上方装有斜插击针，承受原枪上的击锤打击。
不仅仅是拥有优良的武器装备，在清代，安集延（浩罕）人还一直有善战之名，连清政府都一度认为阿古柏是“气吞天南之概”的强敌，但此时阿古柏的军队其实只是一只外强中干的“纸老虎”。由于追随阿古柏入侵新疆的浩罕军人最多也不过一万人，为了满足频繁战争对兵员的需要，阿古柏下令统治区内的15岁到35岁的男性都要服兵役。而浩罕人存阿古柏的军队里享有特权，当军官的大都是浩罕人，军队的十五个最高级军官“艾米尔”中，竟有十四个人来自浩罕。穿着褴褛衣衫和破烂鞋子，又是被强征来的士兵们士气低落，甚至“用最下流的话咒骂他们的国王（阿古柏）”，逃亡现象时有发生。库罗巴特金就一针见血地指出，“从阿古柏军队的士气看，它不适于打硬仗”。
1876年8月，收复新疆之战终于打响。在左宗棠“先北后南”，“缓进急击”的战略指导下，刘锦棠率军从古城（今奇台）出发，经阜康直取乌鲁木齐的北方门户古牧地（今米泉）。阜康与古牧地相距百里，有大小两条道路相连，大道平坦，但要经过五十里缺乏水源的戈壁。途径黄田的小道虽然水源充分，但阿古柏军队早已在此严密设防，企图迫使清军从大道行军，待到清军人马渴乏之时乘机攻击。清军得悉情况之后将计就计，佯装从大路进兵，待黄田守军松懈大意之后乘夜由小道奇袭，阿古柏军猝不及防，狼狈逃回古牧地，清军初战告捷。
8月12日，清军逼近古牧地。扫清外围之后，就地筑起炮台，用德制克虏伯后膛4磅炮猛轰古牧地的城墙。8月17日黎明，南门被4公斤重的开花炮弹轰破，湘军冲进城内展开激烈巷战，以158人阵亡、450人负伤的代价全歼守敌6000余人。清军乘胜逼近北疆重镇乌鲁木齐。乌鲁木齐地处东西天山结合部，东连哈密，西通昌吉、玛纳斯，在清代既是乌鲁木齐都统驻地，也是迪化州的治所。阿古柏对清军进展如此之快完全出乎意料，乌鲁木齐的原有守军已在调往古牧地后被清军歼灭，而阿古柏从南疆拼凑的五千骑兵尚在增援路上之时，清军已于8月18日光复守备空虚的乌鲁木齐。
收复乌鲁木齐之后不久，刘锦棠不幸感染重病卧床，所部湘军的湖湘子弟很多也因不服水土而染病，因此左宗棠下令湘军驻守待命，另派金顺部攻取北疆各地。至11月，阿古柏的势力已被彻底从北疆清除。此时，新疆已经入冬，天山以北已经茫茫一片的冰雪世界，大雪封山，行军十分困难。清军只得转入休整，从星星峡以东抽调人马，补齐前线各部的编制，并等待天气好转之后发起进一步攻势。
决战天山
以维吾尔民歌《达坂城的姑娘》闻名于世的达坂城，位于乌鲁木齐通往南疆一条穿越天山的隘道中，从此地东南行约200里为吐鲁番，南行100余里为托克逊，清军若要南下则必要经过达坂城。在1876年11月到1877年4月这大约半年时间内，阿古柏意识到达坂城周围将要发生的战事将决定他和他的“哲德沙尔汗国”的存亡，在达坂城新建了坚固的城堡，派“人总管”爱伊德尔胡里率兵五千防守，这些士兵配备了先进的斯奈得—恩菲尔德M1866后装线膛枪。在达坂城侧后方的吐鲁番和托克逊，也分别有八千五百人、二十门火炮与六千人、五门火炮把守，三城互成犄角之势。阿古柏将两万以上的主力部队孤注一掷，妄图凭借天山的天险阻止清军南下的攻势。
另一方面，左宗棠也认识到阿古柏的主力集结达坂城、吐鲁番和托克逊，只要“三处得手，则破竹之势可成”。清军总计调集了在疆的大部分可用兵力多达五十个营，大约两万五千人的部队，又配备了强大的炮兵，准备一举击破阿古柏的防线。
双方主力间的决战即将展开。
1877年4月14日，病愈的刘锦棠率领清军主力三十个营大约一万五千余人及炮队离开乌鲁木齐南下，清军乘敌不备，衔枚急进，17日完成对达坂城的包围。达坂城内的维吾尔群众冒死出城向清军报告：城里的阿古柏守军眼看援兵无望，正在准备突围。于是清军在夜间遍燃火炬，监视敌军动向。19日夜，清军用三门开花大炮猛轰达坂城，城内的炮台、月城和城垛先后被炸塌，紧接着清军一发炮弹命中城中火药库，顿时轰然一声，如山崩地裂一般，火药库内的弹药爆炸起火，此时恰逢大风乍起，火势骤张，阿古柏军血肉横飞，死亡惨重。清军乘势发起总攻，全歼城中阿古柏军，俘虏了包括阿古柏“大总管”爱伊德尔胡里在内的一千二百余人，而清军不过伤亡一百余人。
经过四天休整，清军继续前进，26日在托克逊城外与正在四出抢掠的阿古柏军发生激战。结果就如左宗棠事后所说，阿古柏军虽然“火器颇精，洋枪洋炮外亦有开花炮”，但威力不如西征军的大，加之阿古柏军的炮手“又不善放”，以致“一败即不回头耳”。清军仅以九十余人伤亡的微小代价，歼敌两千余人，缴获战马数百匹，枪械两千余件。残余敌军烧毁存粮及火药，仓皇向南逃走，托克逊宣告光复。
在此同时，从哈密、巴里坤一线西进的另一路清军二十个营约一万人，也在4月26日兵临吐鲁番城下，慑于清军的强大战斗力，阿古柏在吐鲁番的守军近万人开城投降。
仅用了不到半个月的时间，清军就连下达坂、托克逊、吐鲁番三城，彻底打垮了阿古柏苦心经营半年之久的天山防线，使南疆门户洞开。
至此，阿古柏赖以维持反动统治的军队遭到清军的沉重打击，主力部队全部丧失在天山一线。如同当时的英国人所评价的那样，左宗棠的西征军“不再是按照过去早被遗忘时代的那种笨拙的队形挺进，而是遵照以法国和德国的方式为根据的教令前进”，它“基本上近似一个欧洲强国的军队”，有“优越的战略和优越的武器”和“更大的武力和更大的决心”。而“和中国人的战术比较起来”，阿古柏的“战术只是一个小学生的战术”。
摧枯拉朽
1877年5月29日凌晨，面临穷途末路的“洪福之汗”阿古柏突然在库尔勒暴死，此人的死亡和出生同样是个谜，有说是暴病身亡，有说是被众叛亲离的部下毒杀，而左宗棠上报清廷的奏章认为阿古柏是在遭到清军沉重打击之后，在绝望中“仰药自毙”。
阿古柏死后，他的几个利欲熏心的儿子在清军压境的情况下依旧为争权夺利展开内讧。最终伯克胡里在垂死之际的内斗中获胜，在喀什噶尔继承了阿古柏留下的岌岌可危的“汗位”。
阿古柏集团陷入内讧，原本是清军趁机进攻的好机会。可是清军也在吐鲁番一线休整了两个月。吐鲁番是中国有名的火炉，夏季酷热，因此在古代被十分形象地称为“火洲”。加之1877年当地气候干旱，阴历四月之后白天已是烈日当空，人们只好躲在地窝子里避暑。当地百姓都说这是多年不遇的酷热，远道而来的湘军官兵就更不适宜炎热的气候了。由于天公不作美，清军只得放过大好战机。
也就在阿古柏政权行将覆灭的时候，英国人又插上了一脚。1877年4月，俄土战争爆发，英国政府担心俄国会乘巴尔干多事之际，进一步在中亚扩张，因此感到需要保留阿古柏政权作为俄属中亚和英属印度之间的缓冲。英国人的打算是，让伯克胡里交出南疆东部，而南疆西部则将作为一个“独立国家”向清朝“朝贡”。左宗棠得悉此事之后愤怒地表示，英国人要立缓冲国，可以去割让英属印度的土地，为什么要拿中国的土地做什么缓冲国呢？况且喀什噶尔就是古代的疏勒，“汉代已隶中华，固我旧土”。要撤去中国新疆的屏藩去为英属印度做屏障，这是绝不允许的！阿古柏活着也不能允许他盘踞喀什，何况他已经畏罪自尽了。清军一定要“尽复旧疆”，“岂容他人饶舌”！清廷支持了左宗棠的正确主张，8月10日，鉴于“刻下已届秋令”，天气开始转凉，断然下令前线清军“克日进兵，节节扫荡”。
8月25日，刘锦棠率领马步三十二个营为前锋，长驱西进。为阻止清军西进，敌军掘开了开都河。这是一条自北而东南注入博斯腾湖的河流，洪水期的河面水宽达数百米。决河之后，在库尔勒前方形成100余里的河水泛滥区，水深处没过头顶，浅的地方也可以淹没马背。因此清军行军异常艰难，直到10月份才进入库尔勒这座空城，敌军在劫掠秋粮后早已西逃库车。此时，清军携带的粮食大部分于过水泽时丢弃，剩下的也已吃光，一时间，万余将士陷入断粮的困境！所幸在当地维吾尔百姓的帮助下，发掘出地窖内的数十万斤粮食，才得以转危为安。左宗棠得悉此事之后惊叹，“此局危险之至”！
10月12日，刘锦棠挑选精兵两千五百为先锋，穷追敌军。清军势如破竹，一个月疾驰两千里，两次击溃敌军，举收复库车、阿克苏和乌什，所到之处受到各族百姓热烈欢迎，维吾尔史料记载着“没有一个城镇向皇帝陛下的大军射过一粒子弹。相反，很多城镇的好人还为皇帝的大军做了力所能及的事。”当时的英国观察家也承认，清政府的恢复到处受到“人们欣喜地欢迎”，“因为这个政权恢复后，就能受到保护，就有法律、贸易和物资福利。而当这样卑鄙的冒险家——和卓们的匪帮进行掠夺和不成体统的事情时，这些最基本的项目是一样都没有的”。
在清军不可抗拒的攻势面前，阿古柏匪帮内部分崩离析。先是和阗守将向清军请降，紧接着，趁着伯克胡里率领五千骑兵离开喀什噶尔去攻打和阗的机会，十二年前投降阿古柏的前喀什噶尔守备何步云也宣布反正，率领数百满汉兵民占据了喀什噶尔汉城（被俄国人称作扬格萨尔要塞），这是南疆实力最强的一个要塞，其城墙厚达十米，高度也达十米，在城墙的齐胸处开有枪眼，在城墙外还有一条九水宽的护城河。由于伯克胡里的住宅也在这个要塞里，因此他的亲眷也全部成为何步云的俘虏。刚刚打下和阗的伯克胡里得知此事之后顿时手忙脚乱，只得仓皇率部返回喀什噶尔，何步云部凭借扬格萨尔要塞的坚固城防顽强固守二十八天，并向清军派出了求援使节。
刘锦棠得到敌军内部陷入混乱的情报后，立即不失时机地发起了全线进攻。清军从南北两路向喀什噶尔发起了钳形攻势。12月17日，两路清军同时抵达喀什噶尔，伯克胡里在中国土地上已无立足之地，只得趁夜率残部逃入俄国境内。12月21日与24日，叶尔羌与英吉沙尔先后光复，到第二年（1878年）1月2日，“七城汗国”内最后一个城市和阗被董福祥部清军克复，帕米尔高原上的塔吉克族牧民也把阿古柏派出的“官员”缚送到清军大营。肆虐新疆十二年之久的阿古柏匪帮终于被彻底从中国领土清除了出去。此时，被沙俄占据的伊犁地区，仍未回到祖国的怀抱。到了1881年，在左宗棠部署的清军以武力为后盾的谈判中，沙皇俄国被迫吐出了一部分侵略果实，把伊犁地区交还中国。
至此，在“洋务运动”中用近代枪炮武装起来的清军，在左宗棠等人的正确指挥下成功收复了整个新疆。这一壮举被当时的英国人盛赞为“从一个多世纪前的乾隆时代以来，一支由中国人领导的中国军队所取得的最光辉成就”！
1884年，新疆正式建省。奋战在收复新疆战场上的湘军将领刘锦棠出任首任新疆巡抚。
1885年9月5日，左宗棠在北京去世，享年73岁，谥号“文襄”，取其襄赞国家之举。
左宗棠的同乡及暮僚杨昌浚曾应邀西行，见路旁遍植“左公柳”，留下七绝一首：
大将筹边尚未还，湖湘子弟满天山。
新栽杨柳三千里，引得春风度玉关。
