1872年8月，左宗棠进驻兰州，计划先攻取青海省垣西宁，然后调转马头攻打甘肃回民暴动军。

彼时，总兵黄武贤率部和部分豫军，扼守西宁东北的威远堡（今青海互助）。左宗棠遣麾下悍将、三品卿衔、云骑尉（署西宁道）刘锦棠为主帅，统兵进攻西宁。

8月23日至9月3日， 刘锦棠率提督何作霖、余虎恩、谭上连、陶生林、谭和义、陈启明、总兵谭慎典、陈宗蕃、副将陶鼎金、董福祥、熊隆名、都司李双良、张俊等合18营，约6000将士，陆续进抵碾伯。

宁夏回民暴动失败前夕，陕西回民暴动军及其眷属约有3万人，在白彦虎、禹得彦、崔三（本名崔伟） 、毕大才的带领下辗转退至西宁，与青海回军联手作战，使西宁回军的力量迅速加强 。

西宁回军首领马桂源曾代表青海各处回军头目向左宗棠“乞抚”，左虚以为蛇 ，未予正式答复，当大批清军接踵而至后，马桂源指斥清军破坏“抚局” ，加之又得到白彦虎、禹得彦等陕西回军的支持，马桂源拒绝向清军缴械 ，准备武力对抗。

据记载，9月28日，马桂源在西宁府东关密约白彦虎、崔三、禹得彦等陕回首领商议联手抗击清军事宜，大家公推马氏兄弟为头——“马本源自称统领陕湟兵马大元帅，马桂源仍称西宁知府” ，然后指挥回军撤出西宁府城，并召集其他各路回军以及撒拉军，部署在平戎驿至小峡口一线，西宁道郭襄之留守府城，大军撤出后他下令紧闭城门，静候清军到来。

刘锦棠从碾伯进攻西宁，其实是一次孤军深入的冒险行动。从碾伯到西宁必须从县城7里处渡过湟水，再沿河西上 ，才能抵达西宁府城。沿途南北两山对峙，中间是湟水穿流，即古书上所称的湟中是也。

从碾伯到小峡口约80华里，其中有一段山高谷深，地势奇险，道路崎岖、逼仄，大军很难穿越， 战马尤其难以通过，只能下马摸索鱼贯而行；回民军早已这数十里高峰危耸之地做好了伏击清军的准备，并在南北沟岔纷岐的险要处修葺了许多堡寨（据说有百余座），严密防守。

刘锦棠挥军进攻前，按照左宗棠拟定的“先剿客回（指从陕、甘溃入青海的陕西回军）为主”作战方针，先派人向“土回（青海西宁地区的回军）”晓谕：“官军进剿大小南川（陕回驻扎地），在此借道通过，土回毋庸惊恐”。刘锦棠亲率马步大军，艰难进至平戎驿，逼近陕西回民军驻地大小南川，在马营湾和三十里铺扎下好几座营盘， 与小峡口连成一线，声势骇人 ，彼此还能相互呼应。

刘锦棠极力分化、瓦解土回与客回的同盟关系，但西宁回军没有被刘锦棠的手段所迷惑，土回与客回团结一致，共同对敌，其战阵早已联成一片。

9月13日，土回、客回联军分头攻打各清军营寨。自此，陕西、西宁回民军大约3万人左右在平戎驿到小峡口数十里的战线上，与数千清军展开了一场空前激烈而残酷的血战。

连日来，陕、青回军几乎倾巢而出，猛攻清军各营盘。据记载，每当清军发起反扑，回民军便漫山遍野遮杀过来，势如潮涌，枪炮轰鸣，炮子横飞，他们还分兵袭扰清军，使其“殊有应接不暇之势”。在平戎驿、高强沟、羊角沟、彦才沟、小峡口、红水泉等多处战场上，回军与清军反复搏杀，争夺堡寨。每次出战，回军或趁夜偷袭清营，或埋伏在各处山谷沟坎间打起伏击，或从山顶俯冲而下，闪击清军，或在各山坳截击清军粮草，清军昼夜被骚扰、偷袭，无法歇息，心胆俱裂。左宗棠得知刘锦棠的困境后，派记名提督刘明灯等率部增援。

清军毕竟是训练有素、实战经验丰富的正规军，而且装备精良，已经列装了性能优良的洋枪、后膛车轮开花大炮，其火力之凶猛是回民军远远无法比拟的，渡过初期的慌乱后，清军很快就恢复过来，并展开反击，经数日激战，先后攻取了小峡口以东100多座回军堡垒；陕西回军驻地大小南川也被刘锦棠部老湘军攻破。

当年11月10日到20日，1万多名回民军在小峡口一带浴血抵抗，邓增部清军在湟水北岸架炮轰击，回军被炸死炸伤甚多，尸横遍野，残肢断臂到处都是，惨不忍睹，高寨等处堡垒皆被摧毁，南岸的堡寨也同时被清军攻陷，小峡口阵地亦被清军攻占。

回军力战不支，遂撤出小峡防线，清军终于凿通了西宁之路，始与西宁清军防兵声讯相通。

11月17日，郭襄之从西宁派人缒城来到刘锦棠大营告急，说：府城被马桂源等回民军（清代文献称“回匪”） 围困了两个月，城中粮食即将吃尽，情势危殆异常。刘锦棠旋即督军节节西进，又以破竹之势先后攻占了小峡口、羊角湾、罗家湾、二十里铺、十里铺等回军据点，顺利抵达西宁城下。刘锦棠军入城，西宁道郭襄之、知府恩禄率守军迎接，因此前经过好几场血腥杀戮，城中回民幸存者仅千余人。

湟中之战，西宁地区回民军和溃逃青海的陕西回民军联合与清军血战60多天，大小战斗50多次，最后终遭失败，战死者多达数千人，但清军的伤亡也很惨重，损失虽不如回军严重，但也付出了沉重代价。据刘锦棠战后汇报说：“所部伤亡实以千计” ；左宗棠也在给朝廷的奏报中承认“伤亡壮士亦颇不少，据悉几达千数” 。

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