西寧在湟水南岸，湟水兩岸高山對峙，是易守難攻之地。一條岸路寬僅數尺，人馬隻能魚貫而行。回民軍在山上築起堅固的堡壘，駐重兵防守。
劉錦棠率領清軍剛出碾伯不遠，就遭到回民起義軍的迎頭痛擊。回軍利用有利的地形條件，一麵堅守據點，一麵派兵偷襲清軍，阻截糧道，清軍隻能窮於應付，不能組織起有效的進攻。
從9月中旬到11月中旬，回軍與清軍接連交戰五十多次。清軍損兵折將，不能前進。左宗棠隻得增調劉明燈率馬步六營駐碾伯西南，專司護送；調楊世俊、吳隆海率馬步十一營增援劉錦棠部。
劉錦棠部和援軍會合後，開始發動猛烈攻勢。
回民軍的據點再堅固，也架不住清軍的輪番進攻。在清軍的緊逼之下，馬桂源、馬本源率領回軍從西寧城內撤出，在外圍作戰。城內隻剩下漢族和滿族官員、3萬多漢民和少數沒有撤出的一千多回民。漢民便乘機關閉了城門，推舉西寧道郭襄之守城，等候清軍。
馬桂源、馬本源怎麼也想不到後院會起火，相當惱怒，便用相當大的力量去圍攻西寧城，結果陷入了兩麵作戰的困境中。
劉錦棠抓住時機，指揮清軍用開花大炮猛攻起義軍堡壘。回民軍因兩麵作戰，兵力分散，阻擋不住清軍的強大攻勢，大峽至小峽一段隘路逐漸失守。
同治十一年（1872年）十月，在幾路大軍的圍攻之下，馬桂源、馬本源兄弟回天無力，便放火焚燒東關，然後率部隊逃往東川，不久又逃到巴燕戎格。就這樣，被圍困兩個多月的西寧被清軍攻了下來，城內男女3萬多難民夾道歡迎清軍的到來。
11月19日，劉錦棠部進入西寧，陝西回軍首領崔偉、禹得彥等也率部投降清軍，隻有白彥虎率領的一部退到大通，與馬壽領導的當地回民起義軍一起繼續堅持鬥爭。
劉錦棠命令已經投降的崔偉、禹得彥等所部回軍為前導，北攻大通。若想攻下大通，就得先攻下大通南麵的向陽堡。1873年2月1日，清軍開始進攻向陽堡，剛開始，回民起義軍憑堡放槍擲石，後來還展開了巷戰。結果，清軍付出了慘重的代價，才攻占了向陽堡。據記載，僅提督、總兵、副將被擊斃者即達十人之多。
攻下向陽堡後，劉錦棠部又攻占了大通。但白彥虎仍然拒不投降，率領兩千多人向北逃去，退到了肅州一帶。
斬草就要除根，左宗棠是不會放過逃到巴燕戎格的馬桂源、馬本源的三四千回軍主力的。他派人從河州進攻，同時派馬永福前往“招撫”馬桂源、馬本源的部下，孤立敵人。3月2日，在甘肅提督馬占鼇的策劃下，馬桂源、馬本源在巴燕戎格東山被俘，後在蘭州遇害。清軍占領巴燕戎格城後，不久又攻占了循化，西寧之戰便宣告結束了。
血戰肅州城
肅州是西北的重鎮，從甘肅進入新疆的要衝，也是回軍最後的一個強大據點。
1865年初，在陝甘回民起義浪潮的影響下，涼州（今武威）回民首先起義，接著馬文祿在肅州起義，占據嘉峪關和肅州城。
清政府為了鎮壓新疆回民起義，急圖打通甘新通道，便命正在甘肅的新授烏魯木齊提督成祿先率兵攻取肅州。由於馬文祿的勢力不斷加強，再加上肅州地勢險要，清軍的多次進攻都被回軍擊敗。在萬般無奈的情況下，1868年，成祿和甘肅提督楊占鼇在“招撫”的名義下，與馬文祿講和。