光緒元年（1875年）5月，左宗棠被任命為欽差大臣，督辦新疆軍務，金順為烏魯木齊都統，幫辦新疆軍務。左宗棠根據敵我情況和新疆地區的地理條件，制訂了緩進急戰、先北后南的戰略方針，并花了近兩年時間籌集軍餉、采運軍糧、整頓軍隊、改善裝備，完成了收復新疆的作戰準備。

1876年4月7日，左宗棠從蘭州移營肅州，準備發起進攻。當時，清軍已有部分兵力駐守在哈密、巴里坤、古城、塔爾巴哈臺等戰略要地，與敵軍相持。4月底，左宗棠命總理行營營務、湘軍統領劉錦棠率馬步25營分批入疆，經哈密前往巴里坤。至此，清軍出關總兵力有80余營，約六七萬人。清軍按先北后南的方針，決定首先收復南北疆的交通要沖烏魯木齊。

阿古柏得知清軍西進的消息，急忙布置防御，令馬人得，馬明、白彥虎等分守烏魯木齊、昌吉、呼圖壁、瑪納斯、古牧地等地，阻止清軍南下;主力部署在吐魯番和托克遜，阿古柏本人在托克遜督戰。其總兵力約4萬人。

1876年7月，劉錦棠率所部各營到達巴里坤，并進駐古城，7月底與金順部在濟木薩會合，謀攻古牧地。8月中旬，清軍進扎古牧地城東和東北，用開花大炮轟塌堅固的城墻。8月17日，清軍經過數天激戰，占領古牧地，殲敵近6000人。

劉錦棠從繳獲的敵方信函中得知烏魯木齊守備空虛，決定除留兩營兵力守古牧地外，主力迅速向烏魯木齊挺進。8月18日黎明，清軍出發。守衛烏魯木齊的馬人得、白彥虎未料到清軍行動如此迅速，一聞炮聲，即棄城向達坂方向逃跑。清軍收復烏魯木齊、迪化州城及偽王城。盤踞昌吉、呼圖壁與瑪納斯北城之敵如驚弓之鳥，未等清軍進攻即棄城而逃，只有瑪納斯南城之敵負隅頑抗。從9月2日始，清軍金順部會同劉錦棠部，伊犁將軍榮全等部猛攻瑪納斯南城，11月6日攻克。至此，北疆地區除伊犁外，所有敵占據點全部克復。此時冬季來臨，大雪封山，不便于大規模的軍事行動，清軍決定暫停進攻，進行休整，待春天到來再向南疆進軍。

收復南疆的部署，左宗棠根據敵方情況于1876年11月初即已擬定，阿古柏在達坂、吐魯番、托克遜三城部署重兵，加強防守，其本人則坐鎮喀喇沙爾指揮。左宗棠針對這一情況，提出了三路并進的作戰方案：劉錦棠、廣東陸路提督張曜、記名提督徐占彪各部克復達坂、吐魯番、托克遜三城，打開南疆門戶，然后乘勝西進，收復所有失地。具體部署是：劉錦棠部由烏魯木齊南下攻達坂城，為北路;張曜部由哈密西進，為東路;徐占彪部出木壘河，越天山南下，為東北路。張、徐兩部協力攻取吐魯番，得手后，立即攻托克遜。

1877年4月14日，清軍經過幾個月的充分準備，開始向南疆進軍，劉錦棠率主力1萬余人及開花炮隊由烏魯木齊南下，16日進至達板外圍，乘守敵不備，迅速完成對該城的包圍。4月18日，清軍打退增援之敵，在達坂域外增筑炮臺。4月19日，炮臺筑成，清軍用開花大炮轟塌城中大炮臺、月城和城垛，擊中敵彈藥庫，敵軍死傷甚眾，企圖突圍，被清軍截殺未逞。敵守軍在清軍強大攻勢面前只得投降，達坂城遂克復。這一戰，清軍共擊斃敵軍2000余人，俘敵1000多人。與此同時，張曜部和徐占彪部在鹽池會師后，于4月21日克七克騰木，22日克辟展，25日克勝金臺，向吐魯番挺進。4月26日，劉錦棠部攻克托克遜。隨后，張、徐二部在羅長祐部湘軍協助下收復吐魯番。至此，清軍三路并進，未及半月即收復三城，為徹底打敗阿古柏創造了條件。南疆人民紛紛起義，反對阿古柏的反動統治。阿古柏見大勢已去，于5月下旬逃至庫爾勒自殺。其子伯克·胡里在喀什噶爾稱王，繼續頑抗。

1877年9月，清軍挾連克三城余威，乘秋高氣爽之際，開始部署收復南疆八城之戰。劉錦棠率馬步32營為前鋒，張曜率馬步16營為后隊，共2萬余人，向西挺進。敵守軍放棄喀喇沙爾和庫爾勒西逃往庫車。劉錦棠根據敵西逃庫車，立足未穩等情況，決定親率精兵追擊。10月15日，劉錦棠率2000精兵追至布古爾（今輪臺），擊敗敵騎千余。10月18日，追至庫車城外，發現大量敵軍。劉錦棠在隨后跟進的后隊到達后，猛攻庫車，敵軍大敗，白彥虎率余部向西逃跑。清軍收復庫車。

10月19日，劉錦棠繼續西進，21日抵拜城，22日在銅廠大敗白彥虎軍和伯克·胡里軍。24日，清軍克阿克蘇城。26日克烏什。至此，清軍在一個月內馳驅1000公里，連克南疆東四城（喀喇沙爾、庫車、阿克蘇、烏什。

清軍的破竹之勢，使盤踞在西四城（葉爾羌、英吉沙爾、和闐、喀葉噶爾）的敵軍驚恐萬分。和闐叛軍呢牙斯向清軍請降，并主動率兵圍攻葉爾羌。伯克·胡里率兵自喀什噶爾增援葉爾羌，打敗呢牙斯。但前喀什噶爾守備何步云乘機反正，率數百滿漢兵民占據喀什噶爾漢城。伯克·胡里趕忙回救喀什噶爾。何步云派人向劉錦棠乞援。劉錦棠當機立斷，決定不待張曜全軍到達，便分兵三路前進：一路由余虎恩率步騎5營從阿克蘇取道巴爾楚克（今巴楚東）直趨喀什噶爾為正兵;一路由黃萬鵬率騎兵6營、張俊率步兵3營，經烏什取道布魯特邊境，出喀什噶爾西為奇兵，約定于12月18日兩路同抵喀什噶爾;劉錦棠自率一部經巴爾楚克直搗葉爾羌和英吉沙爾，策應攻取喀什噶爾。12月17日，余虎恩、黃萬鵬等部齊至喀什噶爾，當晚一舉收復該城。伯克·胡里、白彥虎率殘部逃入俄境。12月21日，劉錦棠收復葉爾羌，24日收復英吉沙爾。1878年1月2日，清軍克復和闐。至此，新疆全境除伊犁地區外，全部收復。清軍收復新疆之戰取得偉大勝利。1881年，中俄通過談判，中國收回伊犁。

清軍收復新疆之戰，粉碎了英、俄勾結阿古柏侵占新疆的企圖，維護了中國的領土主權，打擊了侵略者的囂張氣焰，具有重大歷史意義。這次戰爭所以取得勝利，除戰爭的正義性和新疆各族人民積極支援這一根本原因外，還有軍事上的原因。首先，清軍的戰略方針正確。左宗棠根據西北戰場具體情況，提出“緩進急戰”、“先北后南”的總的方針，把糧餉的采運、保障和武器彈藥的供應放在戰略位置加以考慮，使戰爭準備十分充分，體現了因地制宜、打有準備之仗的原則。事實證明，這一方針完全符合新疆戰場實際，是十分正確的。其次，清軍的作戰指揮靈活機動。左宗棠坐鎮肅州，掌握全盤情況，而將前線指揮權賦予劉錦棠。劉錦棠和前敵諸將積極協同，善于抓住有利戰機，機斷行事，從而在整個收復新疆之戰中攻必克，戰必勝，勢如破竹，銳不可當，充分體現了正義之師的不可戰勝。

從敵方來看，阿古柏反動政權的分裂行徑遭到了新疆各族人民的一致反對。在清軍的強大攻勢面前，敵方難以組織起真正堅固的防衛。加上阿古柏對清軍的戰斗力估計不足，又未能事先占領控制哈密、巴里坤等戰略要地，在作戰指揮上又執行被動挨打、消極防御的方針，這就難以避免被清軍打敗的結局。