1872年2月，马占鳌率部投降，河州之战结束 ，左宗棠完成对受抚回众的善后安置工作后，于8月中旬离开河州，进驻甘肃省城兰州，开始积蓄粮草、准备作战物资，将进攻的枪口对准盘踞西宁的叛回军。

西宁在兰州的西面，当时属于甘肃管辖，是甘肃省的一个府治。1860年（咸丰10年），当地有名的阿訇马文义（马尕三）率领回众武装起事，击败汉人民团后，切断了兰州至西宁的通道。 后来，循化（今青海循化）的回族士绅马桂源成为这支回变军的首领。

1863年（同治2年），马文义率叛回军围攻西宁府城，因守军兵力薄弱，民团武器装备粗劣， 城防不坚固，西宁办事大臣玉通无力守御，被迫与马文义、马桂源签署“抚议”，旋即遣散民团，并保举马桂源为循化府同知。

1865年，马文义再与清军起冲突，双方相互袭杀，死伤不少。富亮调集兵勇、团练入西宁，剿杀城内回民，马文义组织反攻，叛回军声势复炽，兵力逐渐壮大，西宁府以及下辖地区大部被叛回军控制。玉通见回众势大，官府已无力镇压，被迫再作让步，上奏清廷举荐马桂源、马本源兄弟为西宁知府和护西宁镇兵篆，回民反叛者实际上掌握了西宁的军政大权。

随后，在西宁知府马桂源的庇护下，马文义率叛回军东攻西杀，为患剧烈。1869年，叛军进攻威远堡（今青海互助县威远镇），旋即攻占平戎驿（今青海海东），又派数千马队驰援被清军围困在灵州金积堡内的回族豪酋马化龙，与河州、肃州叛回军相互应援，还与新疆的回、畏吾儿叛军取得了联系。

1871年，马化龙迫于不利形势，率部缴械投降，旋遭清军处死。曾与马化龙沆瀣一气、联手作战的陕西叛回军首领白彦虎率众西逃进入西宁，驻营大、小南川一带，并与马桂源、马文义领导的西宁叛回军联成一气。

金积堡之战结束后，左宗棠指示爱将刘锦棠裁撤掉部分老湘军羸弱士兵，回湖南重新招募年轻精悍之士， 编练成军，补充了好几个营。新募的兵勇个个身强力壮，吃苦耐劳，经严格训练，军事技能也很娴熟，使清军战斗力进一步提升。1872年7月，刘锦棠率领新招募的数营兵勇长途跋涉回到甘肃 ，左宗棠立刻召他到兰州商议下一步用兵计划。

9月初，刘锦棠奉命率得到补充的老湘军开至碾伯（今青海海东），西宁战役缓缓拉开帷幕。

碾伯距西宁约80里左右 ，二地同在湟水之畔，湟水两岸群山环抱，中间仅有一条几尺宽的逼仄小道联通二地，崎岖难行。 叛回军在西宁至碾伯的谷道两边高山上构筑有坚固堡垒，且派兵严密防守。刘锦棠军自碾伯往攻西宁，必须要拔掉该险要处的一座座堡垒、哨卡。此次刘锦棠率军出碾伯，左宗棠再三叮嘱他以“借道进剿陕回”为幌子作掩护，先麻痹马文义，等待有利时机再做进一步行动，万不可操之过急。

刘锦棠依计而行，率大军出碾伯进入湟水谷地，艰难往西宁行去。不料，老湘军刚出碾伯不久，便遭到叛回军的猛烈阻击。彼时马文义已经病死，马桂源成为统兵元帅。马桂源果然以“官军激变 ”为由，调集各路回军进行阻抗。左宗棠斥责了马桂源的做法，并致信警告他：如果因为清军进剿“贼匪” 而当地回民发生暴动，那就是当地回民自取灭亡，之前屡次求抚并非发自真心，定是缓兵之计。无论官军是否有激起民变的举动，西宁回众一旦与白彦虎陕西叛回军相互勾结，相互呼应，官军将坚决使用武力扑剿，绝不姑息！

马桂源接到左宗棠的交涉信后，并未收敛，而是积极调兵遣将，准备将清军消灭在河湟山谷间。11月，双方发生激战，两军均伤亡惨重。刘锦棠在湟水北岸修建了军堡，以为依托，并在对战中利用火力优势攻夺了占据险要处的叛军营垒，阵毙2000多叛回军。

左宗棠调兵来援，令悍将刘明镫率骑兵屯扎碾伯西南，以守护粮道，使刘锦棠在前线能专注作战；骁将杨世俊等率11营马步军驰往火线归刘锦棠指挥，以加强攻击力量。刘锦棠部得到增援后，士气高涨，人人奋勇，个个争先，用数十尊西洋开花炮猛轰回军堡寨。叛回军堡垒被炸得土石翻飞，堡内守军被炸得血肉横飞，死伤惨重，残部力不能支，分两路仓惶撤出，扼守峡内的叛回军顿时土崩瓦解，士卒翻山越岭，抱头鼠窜，逃散殆尽， 被丢弃的战马、驴骡和枪械、刀矛遍地都是，小峡南北的关隘、要塞也被清军一一攻克，逐渐失守。

11月19日，经艰苦征战，逐一击溃沿途设防阻抗的叛回军，刘锦棠终于率军走出湟水峡谷，兵临西宁城下。20日，西宁城内的数万汉族难民打开城门，迎接刘锦棠大军入城。当时城内还有1000多回族老弱妇孺，刘锦棠让他们仍在原地安居。刘锦棠派受抚的回族头人前去游说，追随马桂源的回众也陆续逃归，接受招抚。唯有死不肯降清的白彦虎、马桂源各率一队人马，分别北走大通、窜逃巴燕戎格（今青海化隆巴彦镇）。

左宗棠得到消息后，一面派刘锦棠督军全力往北追击，赶往大通，追歼穷凶极恶的白彦虎；一面急调陈湜、沈玉遂二军从河州西进巴燕戎格，堵击马桂源。1873年2月初，刘锦棠率军围攻大通，见清军势大，城内回民为自保，将忠于马桂源的马寿等人捆送刘锦棠。 刘锦棠下令除马寿外其余回首一律处死 ，旋率清军依然跟在陕回军后面紧追不舍，与白彦虎在大通南面的向阳堡激战，白彦虎负隅顽抗，混战中清军几十位将领战死，包括提督、总兵、副将，士兵死伤更为惨重，刘锦棠杀红了眼，遂不顾伤亡艰难地攻占了向阳堡 、大通。白彦虎拒不投降，率2000余陕回残军与眷属往肃州（甘肃酒泉）奔去。

巴燕戎格方向，陈湜、沈玉遂等配合刘锦棠军完成合围，并设计擒住马桂源、马本源等人的妻子，逼其出降。刘锦棠等软硬兼施，既派人诱降，又陈兵威慑。最后，马桂源的部众大多出降，他本人和马本源等均被擒送兰州。后马桂源、马本源等均遭凌迟处死。陈湜率军接连攻占巴燕戎格、循化二城，西宁之战以清军获胜而降下帷幕。

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