年月（光绪元年三月），清廷终于采纳了左宗棠的意见，任命他“以钦差大臣督办新疆军务”，授予他指挥关外一切军事的全权。

要使沦陷多年的新疆重归版图，困难之多、之大是显而易见的。左宗棠想方设法，历时一年多，先后解决了短缺达数百万两的军饷难题，出关作战的军粮来源和运输问题，又妥善安排了军火、器械等军需物资的供应，还裁减冗员，精练部队。各项准备工作完成之后，他将西征指挥部移到了肃州（今甘肃酒泉），以便就近指挥。

年月日（光绪二年四月四日），西征军在肃州祭旗出征。结合当时的实际情况，左宗棠和湘军统领刘锦棠“熟商进兵机宜”后，制订了“先北后南”、“缓进速战”的基本战略和“广储粮草，杜其窜路，然后相机大举，聚而歼之”的作战原则，在后来的军事行动中取得了良好的效果。

左宗棠以刘锦棠统率的二十五个营（约一万一千人）为前锋，分四批出星星峡，进攻乌鲁木齐，而以提督张曜部严守哈密至奇台一线作为后卫。月，西征军抵达济木萨城，探得守卫乌鲁木齐外围要地古牧地城（今新疆米泉）的是叛匪白彦虎五千余人。当时通往古牧地城有两条路：一条是走西树儿头子，为大道，易于大军通行，但要经过戈壁，汲饮困难；而另一条路是走黄田小路，水源充足，却被敌人筑卡设栏，严密防守。叛匪就是企图逼迫西征军放弃小路走大道，届时以逸待劳，在戈壁滩上困死、渴死清军。

左宗棠一面命人在西树儿头子大道沿途筑垒凿井，装出一副不得不走大道的样子，另一方面悄悄命令刘锦棠率精兵强将在夜色掩护下自小路出击。守卫黄田的白彦虎部以为清军会沿大道走，根本没想到刘锦棠率领的大军从天而降，来不及做什么有效的抵抗，便举手投降了。道路一打通，大军迅速进逼古牧地城。经四昼夜激战，终于攻占了该地，取得了西征的首次大捷，打开了通往乌鲁木齐的门户。

在古牧地城，刘锦棠于一堆书信中意外地发现了一封乌鲁木齐来的机密文件，得知乌城几乎无兵可守。他一面派人汇报左宗棠，一面率领部下马不停蹄地驰往乌城。等到信使带着左宗棠“进攻乌城”的命令追上刘锦棠时，他已经站到了乌鲁木齐的城墙上察看战果了！

西征军月日（闰五月二十九日）攻占乌鲁木齐后，又于月再克玛纳斯城，完全斩断了阿古柏伸向北疆的魔爪，掌握了通向南疆大门的锁钥，并且控制了乌鲁木齐以西的富饶地区，解决了就近采办粮草的问题。收复新疆的第一阶段便告结束。

经过五个月的精心筹划准备，左宗棠于年（光绪三年）月又组织了第二阶段战役，进攻矛头直指战略重镇吐鲁番。

清军收复北疆之后，阿古柏将他的军队收缩起来，分别盘踞于达坂、吐鲁番、鲁克沁三处，妄图凭借天山关隘负隅顽抗。这三座城互成犄角之势，易守而难攻。