左宗棠一年的軍費支出約需銀八百多萬兩，而他實際只能收到五百多萬兩，即每年要短缺三百萬兩。所謂"海防"之議起，各省實解的西征"協餉"(當時西征軍費由各省、關分攤)更只剩下二百幾十萬兩。
為擺脫窘境，他只好委託胡雪巖借外債以充軍費，最後，清政府決定從戶部的海關稅中撥出二百萬兩，並命各省海關先解銀三百萬兩(限期三個月)，再由左宗棠自借外債五百萬兩，才暫時解決了軍費的難題。
解決了軍餉問題之後，左宗棠還做了以下準備工作：
首先選將，選擇了一直跟隨他的楚勇和老湘軍中劉錦棠、張曜、金雲昌、徐佔彪、易開俊、董福祥等能征慣戰得力之將；其次採用精兵戰略、淘汰冗雜，嚴明紀律、嚴格訓練；第三配備新式武器，採購德國新式後膛大炮、開花小炮、快響槍、來福槍等裝備。
左宗棠認為"自古關塞用兵，在精不在多"。因此首先整頓了關外部隊，裁減冗兵，節約軍餉，並將畏縮不前的烏魯木齊提督成祿奏清政府撤職查辦，將景廉舊部三十四營裁併成十九營(以後金順接統又裁併一次)。劉錦棠部的"老湘軍"作為西征的主力部隊，於1875年秋天在涼州(甘肅武威)訓練了幾個月，1875年二月下旬才進駐肅州(甘肅酒泉)，並於四月份三批出關。
對於出關各軍的武器裝備，左宗棠也做了調整和充實，儘量配備比較先進的武器。金順出關時，配備開花大炮一門；桂錫楨出關時，配備德國後膛開花大炮一門；張曜出關時，配備各種炮十一門，主力劉錦棠部配備最優，除原有槍炮外，出關時又配備包括新式大炮在內的各種火炮十多門，各種槍支一千多杆；侯名貴的炮隊計有大、小炮六門，七響馬槍三孔四十支(每支配子彈五百六十發)。前線指揮官還使用了雙筒望遠鏡。
英國人包羅傑評論說："這支在東土耳其斯坦的中國軍隊完全不同於所有以前在中亞的中國軍隊；它基本上近似一個歐洲強國的軍隊。"
第四準備糧餉，經清政府同意從各省借調糧餉，從外地購糧；
第五在哈密修水渠屯田；第六針對進疆路途遙遠，沿途廣設糧運臺站，官民結合、節節轉運。
為做到"知己知彼"，左宗棠還很重視敵情的蒐集和分析。他曾多次派人出關瞭解阿古柏竊據新疆的來龍去脈及當前狀況，認真研究作戰對手。他還通過在上海籌辦軍需的胡雪巖瞭解各國動向，收集外交情報，以配合軍事行動。
對英、俄爭霸亞洲的矛盾，左宗棠有自己的分析，他指出："俄、英倏婚媾，倏仇讎，十餘年前尚戰爭不已，彼此忌嫉，至今如故。其釁端則肇於爭印度、爭土耳其。"為了利用英、俄矛盾，集中力量消滅阿古柏政權，左宗棠主張暫不涉及伊犁問題，避免分散力量，兩個拳頭打人。
左宗棠面對的是天山以北的俄軍和南疆的阿古柏叛匪兩個敵人，左把沙俄侵略與收復伊犁作為戰爭出發點，但不直接收復伊犁，先在軍事上討伐阿古柏這個弱敵，首攻烏魯木齊，避免一個拳頭同時打兩處，造成兵力分散。通過收復烏魯木齊在政治上打擊沙俄，為下一步收復伊犁掃清障礙。劉錦棠率徵西主力西進時，左宗棠叮囑其進兵要"緩進急戰"、攻取方向要先北後南。
"緩進"就是根據新疆路途遙遠、地域廣闊的特點，在每一戰役開始前做好充分準備，不要急於求戰。"急戰"則是當作戰條件成熟後行動堅定，速戰速決，避免曠日持久的打消耗戰。
阿古柏主力集中在南疆，烏魯木齊相對較弱，且打下烏魯木齊後能割斷沙俄與阿古柏的聯繫。
1876年四月七日，左宗棠從蘭州抵達肅州(酒泉)，在這裡設置大本營，就近指揮。同月，湘軍總統劉錦棠在與左宗棠"熟商進兵機宜"後，率主力部隊二十五營(約一萬一千人左右)前後分四批出星星峽，向哈密迸發(此時金順、張曜、額爾慶額各部均早已出關)，緊接著又派蜀軍徐佔彪部五營出關駐紮巴里坤，以固後路。
1876年七月二十一日，湘軍總統劉錦棠與烏魯木齊都統金順在吉木薩爾會商進兵計劃。
1876年八月劉錦棠以疑兵走大路，以重兵走小路急進，迅速攻佔烏魯木齊外圍重要據點古牧地（今米泉），逼迫守烏魯木齊的馬人得棄城南逃，劉一舉收復烏魯木齊，隨後攻破阿古柏在北疆的各個據點，北疆之戰確立了西征軍的戰略主動。
左宗棠親率西征軍由北向南連克達坂、托克遜、吐魯番，1877年8月至1878年1月西征軍休整以後陸續收復庫爾勒、庫車、拜城、阿克蘇、烏什、葉爾羌、喀什、和田，阿古柏被部下在水中下毒毒死。
阿古柏死後，他的兩個兒子為爭奪繼承權發生火併，內部更加分崩離析。但左宗棠由於"餉源涸竭，轉運不繼"，遂把第三個戰役推遲到秋涼之後。炎夏一過，劉錦棠部三十二營以托克遜為基地，於八月二十五日發動秋季攻勢，張曜部十五營為第二梯隊繼進，左宗棠另調易開俊馬步七營填防吐魯番。
當清軍繼續西進吋，白彥虎已於決開都河後狼狽逃竄，喀拉沙爾、庫爾勒之間均被水淹，清軍涉水、搭橋而進，十月十七日在庫車郊外趕上白彥虎大隊，殲敵千餘人，然後連克庫車、阿克蘇、烏什。從庫爾勒至庫車，六天內行軍八百餘里，前後"拔出被裹回眾以十萬計"。十二月十七日，清軍冒著嚴寒進克喀什噶爾，並陸續收復葉爾羌、英吉沙爾，最後於1878年一月二日收復和闐。阿古柏的大兒子伯克胡裡和白彥虎窮途末路，遂竄出邊境，置身於沙俄的卵翼之下。
清軍遠征阿古柏取得了重大勝利，由進軍北路到收復南疆雖歷時一年半，實際作戰卻不過八個半月，進展之速超過一般人的預料，一些西方"評論家"也承認這是"一支出中國人領導的中國軍隊所曾取得的最光輝的成就"。
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