同時，左宗棠又令丁賢發所部佯裝從韋州堡進兵。回民首領蘇兆明先前在堡內藏匿了幾百名金積堡的回民軍，聽說清軍開到，立刻令這支部隊出堡逃走。丁賢發率一百人進入堡中，蘇兆明率部參見丁賢發，被丁賢發捕殺，所部接受安撫。雷正綰和黃鼎便率領各部北進。左宗棠肅清了中路，幾千名陝西回民軍先後受撫解散。
劉錦棠部和金運昌部越堤修築壁壘，之後再決堤反灌回民軍。馬化龍下令築堤抵禦，傍靠馬連渠修築三座壁壘，以抵抗板橋的湘軍。湘軍分路攻擊，力戰之下，將壁壘攻克。從此，金積堡與胡家堡、王洪堡、陽明堡都被湘軍隔離，河西的糧路也已完全斷絕。
此時，已經攻克張恩堡的雷正綰部和黃鼎部、徐文秀部會師，三部聯合進軍牛頭山。左宗棠增派陳廣發、馮南斌部先從四百戶渡河，扼守峽口北岸。雷正綰、黃鼎兩部攻打峽口壁壘，金積堡派出主力增援。黃鼎部在牛頭山將回民軍擊退。峽口的回民軍已無力抵抗，企圖渡河西撤，被陳廣發所部阻擊，又返回壁壘之中。清軍各部乘機攻入，拿下峽口，奪得五座壁壘，將回民軍幾乎全部殲滅。
清軍奪得峽口以後，金積堡的回民軍每天都來爭奪，屢屢被清軍擊敗。於是，回民軍決定憑借漢河地利，死守古靈州。徐占彪所部夜襲古靈州，回民軍敗退丁家堡。清軍合兵進攻，將丁家堡攻克。而後，清軍乘勝攻破漢渠附近的二十多座堡寨，逼近洪樂堡紮營，距金積堡西門隻有十幾裏。
馬化龍派部隊堅守老馬家寨和丁家寨等各堡寨，又在石屹塔和田家橋增修壁壘，以護衛洪樂堡。在西北麵，則依靠秦壩關向馬家灘提供接濟。
通過各部商議，左宗棠決定分段開鑿塹壕，形成長圍，困死金積堡。從10月1日到10月5日，黃鼎、雷正綰、徐文秀等部攻下了洪樂堡附近的所有寨堡，集中兵力攻打秦壩關。10月7日，餘彥祿率領一千多名陝西回民軍從堡寨西麵突圍而出，劉錦棠部急起攔截。回民軍趁清軍剛剛攻破秦壩關的時機，突然襲擊蜀軍後背，奔向漢伯堡，向河西挺進。另一支回民軍南奔預望城。
清軍在攻破秦壩關後，便形成了對金積堡地區的合圍之勢，唯有王洪堡、陽明堡、棗園堡和漢伯堡還近處濠外，對圍攻部隊構成威脅。清軍集中兵力攻打漢伯堡，被水阻擋，無法前進，便移師東北方，攻打棗園堡等三座寨堡，全部攻破。清軍又大舉進攻漢伯堡，將沙裝進袋子，填塞壕溝，發起衝鋒。二鼓時分，回民軍在牆上鑿洞，向外突圍。清軍四麵出擊，擊殺六千餘人。
左宗棠率領大軍攻打金積堡已經超過一年，仍然沒有攻破，清廷已經很不耐煩，給他發下寄諭：
陝甘回匪滋事以來，朝廷大張撻伐，命左宗棠為欽差大臣，督兵剿賊，每歲撥用餉銀不下八百餘萬兩。該大臣於用兵籌餉事宜，有所陳奏，立見施行，畀任不為不重。乃抵甘以後，雖屢報勝仗，總未痛埽賊氛，致金積堡一隅之地，日久未克，逆首稽誅，軍務安有了期？竭東南數省脂膏以供西征軍實，似此年複一年，此巨帑豈能日久支持！該大臣捫心自問，其何以對朝廷？
左宗棠上疏答複，向清廷詳細陳述戰況。他既充分表述了所部的戰功，展示了戰勝的希望，也強調了戰爭攻堅的難度。左宗棠再三請求清廷稍稍放寬限期，使他的部隊在傷亡較小的情況下最終攻克金積堡。
其實在這時候，回民軍的處境已經十分困難了。湘軍攻克漢伯堡後，隻有東邊的王洪堡和楊明堡與清軍對峙，扼守著靈州西南麵的要道。在進攻之前，劉錦棠親自激勵兵卒士氣。11月3日，湘軍開始合圍楊明堡，仰攻一天一夜，回民軍已招架不住。兩天後，回民軍縱火突圍，到得堡外，湘軍伏兵突起，俘虜回民軍首領楊洪，將其斬首，隨即又開始進攻王洪堡。
到了12月，回民軍出山襲擊徽縣和兩當，接著又去進攻隴州。清軍各部合兵將之擊潰。劉錦棠部包圍馬家灘，督促各部進攻，連戰三十多天，回民軍傷亡慘重，仍然頑強死守。金積堡的回民軍被湘軍封鎖，更是饑寒交迫。於是，馬化龍將陝西回民軍全部趕到堡外以節省糧草。
左宗棠料想金積堡的回民軍已經山窮水盡，於是派投降的回民將領劉秉信到軍營前招撫，先後有幾百名回民軍過來投降。陝西回民軍見湘軍主力久攻馬家灘未下，打算趁東北方湘軍兵力空虛，攻擊濠牆，突圍出去。
清軍偵知這個動向，預設伏兵，嚴陣以待。半夜時分，回民軍從堡寨牆根下悄悄向東北方運動，越過壕塹，攀牆堞而上。突然間，清軍槍炮並發，回民軍成片倒下。於是，清軍逼近東門修築高台，安放火炮，火力俯瞰堡內，守軍更為恐慌。
1871年的新年第一天，陝西回民軍餘部陳林等將領率領八千名老弱回民，跪在濠外請求安撫。劉錦棠決定受降，將壯丁分別安置在各營，而將婦女安置在濠外。馬化龍請求湘軍從馬家河灘撤圍，說願意給濠外的婦女輸送糧食，而馬家河灘的回民軍也願意接受安撫。劉錦棠同意受降。於是，湘軍進入馬家灘，收繳馬匹和武器，留下一千多名回民，令他們拆平堡寨，在故鄉居留。
幾天後，王洪寨也拆平堡寨投降。馬化龍見撫局已定，於1月6日隻身到劉錦棠軍營投降，湘軍進占金積堡。湘軍將士都想殺掉馬化龍，以雪憤恨。劉錦棠派人飛馬請示左宗棠，同時令馬耀邦平毀寨牆，呈繳馬匹、武器和戶籍，等候命令。此後，餘彥祿等人從河西率領幾千部眾陸續趕來投降。陝西回民尚存男女一萬一千多人。左宗棠令湘軍將這些人分批解送平涼，安置到平涼華亭境內的化平川。從此寧、靈兩州沒有了陝西的回民。
由於河西王家疃各堡尚未攻破，劉錦棠便將馬化龍留在軍中。同時左宗棠向清廷上了一道密奏，請求暫緩將馬化龍處死，並說明了必須嚴守秘密的原因。在他看來，清軍攻克了金積堡，全局已在掌握之中。如果先殺了馬化龍，王家疃的回民首領便會心懷疑懼，這樣反而會拖延戰事。清廷同意左宗棠的辦法。
2月，馬化龍派人到王家疃，將他派到王家疃的何生洲等部幾百人招回金積堡接受安撫。金順、張曜部得以順利攻克王家疃。通昌堡和通貴堡的回民軍也向黃鼎部投降。
3月2日，馬化龍父子及其親屬十三人，以匿藏槍械的罪名被處以極刑，同時處死回民軍中有官職者共八十多人。
從此，靈州和寧夏全部安定下來。攻打金積堡一役，左宗棠手下僅提督、總兵級別的軍官，就多達四十餘名戰死沙場，其中包括左宗棠帳下第一大將劉鬆山。
為什麼攻打金積堡的這場戰役會耗時如此之漫長、傷亡如此之重大？這主要是金積堡及其周圍作戰條件造成的。
首先，金積堡本身就是一個極為堅固的堡壘，它的圍牆總長有4.5公裏，厚10米，高13米，全部用黃土築成，任何炮彈打上去都隻能留下一點淺坑，無關痛癢。其次，圍牆四周以水濠環繞，挖洞炸牆之類的方法在這裏也行不通。此外，在金積堡的東西兩側，更有數百個大小堡寨拱衛，以成呼應之勢。
所以，除了強攻之外，找不到其他合適的辦法。左宗棠選擇了對金積堡周圍的堡寨實施了強攻，而對主堡則進行了圍困，待其糧盡之後開門投降，不僅耗時一年零四個月，而且傷亡巨大。他承認：
隴事艱阻萬分，先攻金積，尤非時局所許，一年之間，連喪大將，人心震駭。......仆十餘年剿發平撚，所部傷亡之多無逾此役者。
此戰之後，清朝廷對左宗棠所部將士進行論功行賞，並大力稱讚左宗棠此役運籌決勝，調度有方，又封加騎都尉世職，另外再給劉鬆山等殉難諸臣, 各賜祭一壇。