光绪元年（1875年）5月，左宗棠被任命为钦差大臣，督办新疆军务，金顺为乌鲁木齐都统，帮办新疆军务。左宗棠根据敌我情况和新疆地区的地理条件，制订了缓进急战、先北后南的战略方针，并花了近两年时间筹集军饷、采运军粮、整顿军队、改善装备，完成了收复新疆的作战准备。
1876年4月7日，左宗棠从兰州移营肃州，准备发起进攻。当时，清军已有部分兵力驻守在哈密、巴里坤、古城、塔尔巴哈台等战略要地，与敌军相持。4月底，左宗棠命总理行营营务、湘军统领刘锦棠率马步25营分批入疆，经哈密前往巴里坤。至此，清军出关总兵力有80余营，约六七万人。清军按先北后南的方针，决定首先收复南北疆的交通要冲乌鲁木齐。
阿古柏得知清军西进的消息，急忙布置防御，令马人得，马明、白彦虎等分守乌鲁木齐、昌吉、呼图壁、玛纳斯、古牧地等地，阻止清军南下;主力部署在吐鲁番和托克逊，阿古柏本人在托克逊督战。其总兵力约4万人。
1876年7月，刘锦棠率所部各营到达巴里坤，并进驻古城，7月底与金顺部在济木萨会合，谋攻古牧地。8月中旬，清军进扎古牧地城东和东北，用开花大炮轰塌坚固的城墙。8月17日，清军经过数天激战，占领古牧地，歼敌近6000人。
刘锦棠从缴获的敌方信函中得知乌鲁木齐守备空虚，决定除留两营兵力守古牧地外，主力迅速向乌鲁木齐挺进。8月18日黎明，清军出发。守卫乌鲁木齐的马人得、白彦虎未料到清军行动如此迅速，一闻炮声，即弃城向达坂方向逃跑。清军收复乌鲁木齐、迪化州城及伪王城。盘踞昌吉、呼图壁与玛纳斯北城之敌如惊弓之鸟，未等清军进攻即弃城而逃，只有玛纳斯南城之敌负隅顽抗。从9月2日始，清军金顺部会同刘锦棠部，伊犁将军荣全等部猛攻玛纳斯南城，11月6日攻克。至此，北疆地区除伊犁外，所有敌占据点全部克复。此时冬季来临，大雪封山，不便于大规模的军事行动，清军决定暂停进攻，进行休整，待春天到来再向南疆进军。
收复南疆的部署，左宗棠根据敌方情况于1876年11月初即已拟定，阿古柏在达坂、吐鲁番、托克逊三城部署重兵，加强防守，其本人则坐镇喀喇沙尔指挥。左宗棠针对这一情况，提出了三路并进的作战方案：刘锦棠、广东陆路提督张曜、记名提督徐占彪各部克复达坂、吐鲁番、托克逊三城，打开南疆门户，然后乘胜西进，收复所有失地。具体部署是：刘锦棠部由乌鲁木齐南下攻达坂城，为北路;张曜部由哈密西进，为东路;徐占彪部出木垒河，越天山南下，为东北路。张、徐两部协力攻取吐鲁番，得手后，立即攻托克逊。
1877年4月14日，清军经过几个月的充分准备，开始向南疆进军，刘锦棠率主力1万余人及开花炮队由乌鲁木齐南下，16日进至达板外围，乘守敌不备，迅速完成对该城的包围。4月18日，清军打退增援之敌，在达坂域外增筑炮台。4月19日，炮台筑成，清军用开花大炮轰塌城中大炮台、月城和城垛，击中敌弹药库，敌军死伤甚众，企图突围，被清军截杀未逞。敌守军在清军强大攻势面前只得投降，达坂城遂克复。这一战，清军共击毙敌军2000余人，俘敌1000多人。与此同时，张曜部和徐占彪部在盐池会师后，于4月21日克七克腾木，22日克辟展，25日克胜金台，向吐鲁番挺进。4月26日，刘锦棠部攻克托克逊。随后，张、徐二部在罗长祐部湘军协助下收复吐鲁番。至此，清军三路并进，未及半月即收复三城，为彻底打败阿古柏创造了条件。南疆人民纷纷起义，反对阿古柏的反动统治。阿古柏见大势已去，于5月下旬逃至库尔勒自杀。其子伯克·胡里在喀什噶尔称王，继续顽抗。
1877年9月，清军挟连克三城余威，乘秋高气爽之际，开始部署收复南疆八城之战。刘锦棠率马步32营为前锋，张曜率马步16营为后队，共2万余人，向西挺进。敌守军放弃喀喇沙尔和库尔勒西逃往库车。刘锦棠根据敌西逃库车，立足未稳等情况，决定亲率精兵追击。10月15日，刘锦棠率2000精兵追至布古尔（今轮台），击败敌骑千余。10月18日，追至库车城外，发现大量敌军。刘锦棠在随后跟进的后队到达后，猛攻库车，敌军大败，白彦虎率余部向西逃跑。清军收复库车。
10月19日，刘锦棠继续西进，21日抵拜城，22日在铜厂大败白彦虎军和伯克·胡里军。24日，清军克阿克苏城。26日克乌什。至此，清军在一个月内驰驱1000公里，连克南疆东四城（喀喇沙尔、库车、阿克苏、乌什。
清军的破竹之势，使盘踞在西四城（叶尔羌、英吉沙尔、和阗、喀叶噶尔）的敌军惊恐万分。和阗叛军呢牙斯向清军请降，并主动率兵围攻叶尔羌。伯克·胡里率兵自喀什噶尔增援叶尔羌，打败呢牙斯。但前喀什噶尔守备何步云乘机反正，率数百满汉兵民占据喀什噶尔汉城。伯克·胡里赶忙回救喀什噶尔。何步云派人向刘锦棠乞援。刘锦棠当机立断，决定不待张曜全军到达，便分兵三路前进：一路由余虎恩率步骑5营从阿克苏取道巴尔楚克（今巴楚东）直趋喀什噶尔为正兵;一路由黄万鹏率骑兵6营、张俊率步兵3营，经乌什取道布鲁特边境，出喀什噶尔西为奇兵，约定于12月18日两路同抵喀什噶尔;刘锦棠自率一部经巴尔楚克直捣叶尔羌和英吉沙尔，策应攻取喀什噶尔。12月17日，余虎恩、黄万鹏等部齐至喀什噶尔，当晚一举收复该城。伯克·胡里、白彦虎率残部逃入俄境。12月21日，刘锦棠收复叶尔羌，24日收复英吉沙尔。1878年1月2日，清军克复和阗。至此，新疆全境除伊犁地区外，全部收复。清军收复新疆之战取得伟大胜利。1881年，中俄通过谈判，中国收回伊犁。
清军收复新疆之战，粉碎了英、俄勾结阿古柏侵占新疆的企图，维护了中国的领土主权，打击了侵略者的嚣张气焰，具有重大历史意义。这次战争所以取得胜利，除战争的正义性和新疆各族人民积极支援这一根本原因外，还有军事上的原因。首先，清军的战略方针正确。左宗棠根据西北战场具体情况，提出“缓进急战”、“先北后南”的总的方针，把粮饷的采运、保障和武器弹药的供应放在战略位置加以考虑，使战争准备十分充分，体现了因地制宜、打有准备之仗的原则。事实证明，这一方针完全符合新疆战场实际，是十分正确的。其次，清军的作战指挥灵活机动。左宗棠坐镇肃州，掌握全盘情况，而将前线指挥权赋予刘锦棠。刘锦棠和前敌诸将积极协同，善于抓住有利战机，机断行事，从而在整个收复新疆之战中攻必克，战必胜，势如破竹，锐不可当，充分体现了正义之师的不可战胜。
从敌方来看，阿古柏反动政权的分裂行径遭到了新疆各族人民的一致反对。在清军的强大攻势面前，敌方难以组织起真正坚固的防卫。加上阿古柏对清军的战斗力估计不足，又未能事先占领控制哈密、巴里坤等战略要地，在作战指挥上又执行被动挨打、消极防御的方针，这就难以避免被清军打败的结局。
