商定進兵方略後，他們把擬定的計劃稟報給左宗棠，左宗棠對這個方案還是比較滿意的。為了防止被圍困的敵人四處亂竄，他派兵加強了對巴裏坤到古城子一線和哈密地區的防守。他還特別留意了嘉峪關內的青頭山口，因為敵人很可能從這裏流竄到青海和西藏。另外，他還奏請命駐新疆西北的清軍加強對漠北的防守，從而切斷敵人從北麵逃入俄羅斯的退路。
左宗棠給敵人布下了天羅地網，隻要一聲令下，就可以把敵人一網打盡。為了避免濫殺無辜，在進攻之前，左宗棠再次向全軍申明紀律，嚴禁燒殺搶掠。尤其對於當地的少數民族同胞，隻要有悔改意向，願意回歸，就寬大處理。
劉錦棠返回古城後，在六月初一日（7月21日）率湘軍馬步各營抵濟木薩。劉錦棠、金順二軍會合後，實力大增，結果沒費什麼力氣，就在六月初八日（7月28日）攻下了阜康城。此時的阜康城已經不再是昔日的繁華小鎮。戰亂之後，人煙稀少，雜草叢生，不便行走。清軍不得不整修道路，以便在阜康一帶集結大隊人馬。
當白彥虎得知老對頭左宗棠率軍一路追到新疆並且已經兵臨古牧地附近後，預感到自己的好日子到頭了，便從烏魯木齊移踞到古牧地，試圖負隅頑抗，做最後一搏。阿古柏也知道烏魯木齊的重要性，所以也從南疆調遣援軍前來助戰，試圖把左宗棠的大軍阻隔在這裏。
劉錦棠部偵察到有兩條路可以通往古牧地：一條大路，要經過戈壁，缺乏水源；另一條是小路，雖然水源充足，但要通過敵人重兵把守的黃田。
白彥虎希望把清軍逼到戈壁灘上，所以在水源之地黃田多處築卡，嚴密防守，而對大路卻不加任何防守。劉錦棠將計就計，將馬步各營調集離阜康縣城西部10裏之處，開挖廢舊渠道和枯井，忙碌著準備行軍用水，做出一副走大路的模樣，迷惑敵人。
敵人果然上當了，以為清軍要走大路，便放鬆了對小路的戒備。
結果，在二十一日（8月10日）三更時分，劉錦棠和金順率領大軍，神不知鬼不覺地揮軍直搗黃田。黎明時分，占領了黃田一帶有利地勢的清軍向敵軍發起了猛烈的進攻。從睡夢中被槍炮聲驚醒的敵軍，一麵向古牧地守敵求援，一麵向清軍展開猛烈的反攻。
劉錦棠率兵從左，金順率兵從右，對敵軍進行左右夾擊。在清軍猛烈的攻擊下，敵軍大敗，丟棄輜重物資，狼狽逃竄。
劉錦棠率兵一直追到古牧地，守軍或入城固守，或逃向紅廟子。劉錦棠見古牧地城大牆堅，一時難以攻破，便派營分別駐紮在古牧地城正東及東北麵，金順所部駐紮城東南。
古牧地是烏魯木齊的外圍要隘，敵人駐守了重兵，劉、金二軍為了不給敵人喘息的機會，在黃田休整了數天後，全軍在六月二十三日開始進攻古牧地。先頭部隊剛剛到達紅廟子，就遇到了阿古柏派來增援的數千騎兵。劉錦棠一麵通知金順，一麵整隊迎敵。打退敵人的援兵後，清軍將士在猛烈炮火的支持下，迅速攻占了城外的山壘和城關，完成了對古牧地的包圍。
在外圍據點盡失的情況下，敵人退到城內，關閉城門，企圖固守待援。
麵對頑敵，劉錦棠與金順認為屯兵堅城之下，應該速戰速決，聚而殲之。同時嚴密防堵，防止敵人逃竄。最終由金順所部負責城西、西北、西南三麵的防務，劉錦棠所部駐紮城北、東北、城東，防止敵人逃竄，並連夜趕修炮台，安放大炮。結果修築的炮台比城牆還高出一丈，在火力上占據了優勢。劉錦棠下令日夜開炮轟擊城牆，不久東北角和東南城垛被轟塌。守軍想修補被毀的城牆，無奈清軍的炮火過於猛烈，隻好放棄了這個打算。
二十七日（8月16日），清軍炮兵又在城東炸開了一道一二丈寬的缺口。形勢對清軍極為有利，攻克城池成了指日可待的事情了。
同日，劉錦棠與金順商定由他攻東、南兩麵，金順攻西、北兩麵，準備對守敵發起總攻。當晚二更，劉錦棠召集將領布置了攻城作戰任務。
萬事俱備，隻差一聲號令，便可殲滅城內頑抗的守敵。
二十八日（8月17日）淩晨，清軍大炮轟塌了南城牆，清軍炮火將城牆多處炸開缺口。時機已經成熟，劉錦棠下令發起總攻，各營號角齊鳴，清軍從四麵八方撲向了古牧地。
但是，守敵拚死抵抗，戰鬥異常激烈。經過數小時的鏖戰後，劉錦棠所部從城的東南角率先攻入城中，金順所部也從東北相繼攻入城中。
麵對潮水般湧進城的清軍，守敵沒有了鬥誌，敗下陣來。就這樣，清軍攻占了古牧地，擊斃敵軍6000多人，還繳獲了大量的武器和裝備。