1872年8月，左宗棠進駐蘭州，計劃先攻取青海省垣西甯，然後調轉馬頭攻打甘肅回民暴動軍。

彼時，總兵黃武賢率部和部分豫軍，扼守西甯東北的威遠堡（今青海互助）。左宗棠遣麾下悍將、三品卿銜、雲騎尉（署西甯道）劉錦棠爲主帥，統兵進攻西甯。

8月23日至9月3日， 劉錦棠率提督何作霖、余虎恩、譚上連、陶生林、譚和義、陳啓明、總兵譚慎典、陳宗蕃、副將陶鼎金、董福祥、熊隆名、都司李雙良、張俊等合18營，約6000將士，陸續進抵碾伯。

甯夏回民暴動失敗前夕，陝西回民暴動軍及其眷屬約有3萬人，在白彥虎、禹得彥、崔三（本名崔偉） 、畢大才的帶領下輾轉退至西甯，與青海回軍聯手作戰，使西甯回軍的力量迅速加強 。

西甯回軍首領馬桂源曾代表青海各處回軍頭目向左宗棠“乞撫”，左虛以爲蛇 ，未予正式答複，當大批清軍接踵而至後，馬桂源指斥清軍破壞“撫局” ，加之又得到白彥虎、禹得彥等陝西回軍的支持，馬桂源拒絕向清軍繳械 ，准備武力對抗。

據記載，9月28日，馬桂源在西甯府東關密約白彥虎、崔三、禹得彥等陝回首領商議聯手抗擊清軍事宜，大家公推馬氏兄弟爲頭——“馬本源自稱統領陝湟兵馬大元帥，馬桂源仍稱西甯知府” ，然後指揮回軍撤出西甯府城，並召集其他各路回軍以及撒拉軍，部署在平戎驿至小峽口一線，西甯道郭襄之留守府城，大軍撤出後他下令緊閉城門，靜候清軍到來。

劉錦棠從碾伯進攻西甯，其實是一次孤軍深入的冒險行動。從碾伯到西甯必須從縣城7裏處渡過湟水，再沿河西上 ，才能抵達西甯府城。沿途南北兩山對峙，中間是湟水穿流，即古書上所稱的湟中是也。

從碾伯到小峽口約80華裏，其中有一段山高谷深，地勢奇險，道路崎岖、逼仄，大軍很難穿越， 戰馬尤其難以通過，只能下馬摸索魚貫而行；回民軍早已這數十裏高峰危聳之地做好了伏擊清軍的准備，並在南北溝岔紛岐的險要處修葺了許多堡寨（據說有百余座），嚴密防守。

劉錦棠揮軍進攻前，按照左宗棠擬定的“先剿客回（指從陝、甘潰入青海的陝西回軍）爲主”作戰方針，先派人向“土回（青海西甯地區的回軍）”曉谕：“官軍進剿大小南川（陝回駐紮地），在此借道通過，土回毋庸驚恐”。劉錦棠親率馬步大軍，艱難進至平戎驿，逼近陝西回民軍駐地大小南川，在馬營灣和三十裏鋪紮下好幾座營盤， 與小峽口連成一線，聲勢駭人 ，彼此還能相互呼應。

劉錦棠極力分化、瓦解土回與客回的同盟關系，但西甯回軍沒有被劉錦棠的手段所迷惑，土回與客回團結一致，共同對敵，其戰陣早已聯成一片。

9月13日，土回、客回聯軍分頭攻打各清軍營寨。自此，陝西、西甯回民軍大約3萬人左右在平戎驿到小峽口數十裏的戰線上，與數千清軍展開了一場空前激烈而殘酷的血戰。

連日來，陝、青回軍幾乎傾巢而出，猛攻清軍各營盤。據記載，每當清軍發起反撲，回民軍便漫山遍野遮殺過來，勢如潮湧，槍炮轟鳴，炮子橫飛，他們還分兵襲擾清軍，使其“殊有應接不暇之勢”。在平戎驿、高強溝、羊角溝、彥才溝、小峽口、紅水泉等多處戰場上，回軍與清軍反複搏殺，爭奪堡寨。每次出戰，回軍或趁夜偷襲清營，或埋伏在各處山谷溝坎間打起伏擊，或從山頂俯沖而下，閃擊清軍，或在各山坳截擊清軍糧草，清軍晝夜被騷擾、偷襲，無法歇息，心膽俱裂。左宗棠得知劉錦棠的困境後，派記名提督劉明燈等率部增援。

清軍畢竟是訓練有素、實戰經驗豐富的正規軍，而且裝備精良，已經列裝了性能優良的洋槍、後膛車輪開花大炮，其火力之凶猛是回民軍遠遠無法比擬的，渡過初期的慌亂後，清軍很快就恢複過來，並展開反擊，經數日激戰，先後攻取了小峽口以東100多座回軍堡壘；陝西回軍駐地大小南川也被劉錦棠部老湘軍攻破。

當年11月10日到20日，1萬多名回民軍在小峽口一帶浴血抵抗，鄧增部清軍在湟水北岸架炮轟擊，回軍被炸死炸傷甚多，屍橫遍野，殘肢斷臂到處都是，慘不忍睹，高寨等處堡壘皆被摧毀，南岸的堡寨也同時被清軍攻陷，小峽口陣地亦被清軍攻占。

回軍力戰不支，遂撤出小峽防線，清軍終于鑿通了西甯之路，始與西甯清軍防兵聲訊相通。

11月17日，郭襄之從西甯派人缒城來到劉錦棠大營告急，說：府城被馬桂源等回民軍（清代文獻稱“回匪”） 圍困了兩個月，城中糧食即將吃盡，情勢危殆異常。劉錦棠旋即督軍節節西進，又以破竹之勢先後攻占了小峽口、羊角灣、羅家灣、二十裏鋪、十裏鋪等回軍據點，順利抵達西甯城下。劉錦棠軍入城，西甯道郭襄之、知府恩祿率守軍迎接，因此前經過好幾場血腥殺戮，城中回民幸存者僅千余人。

湟中之戰，西甯地區回民軍和潰逃青海的陝西回民軍聯合與清軍血戰60多天，大小戰鬥50多次，最後終遭失敗，戰死者多達數千人，但清軍的傷亡也很慘重，損失雖不如回軍嚴重，但也付出了沉重代價。據劉錦棠戰後彙報說：“所部傷亡實以千計” ；左宗棠也在給朝廷的奏報中承認“傷亡壯士亦頗不少，據悉幾達千數” 。

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