左宗棠到达时，金顺已在城东北开地道填濠沟，与各部约定日期，发起总攻。10月4日，左宗棠绕城走了一圈，巡视长濠。马文禄登城了望，看见左大帅的旗帜，倒吸一口冷气，感觉到离死期不远了。第二天派人参谒徐占彪，请求投降，领兵出关杀敌，以报效朝廷。左宗棠接到徐占彪的报告，摇摇头，没有说话。大帅来到肃州，静默无声，是更大的压力。1873年10月6日，中秋节，清军发起总攻。为防止清军从地道炸城，他们沿城墙横挖地道，使清军的地道往往被发现。他们又在城上加砌横墙，埋伏墙下。当清军越过城壕登至城腰时，城上一声令下，石块纷集如雨，登城清军于是回撤。
杨世俊曾在河州之战时弃营逃跑，受到降职处分，西宁之战奉命截击白彦虎又不力，来到肃州后希望立功。徐占彪和杨世俊令部队填濠登城。守军发炮轰击，炮弹和石头如雨点般砸下，攻击受阻。10月7日，徐占彪一声令下，东北城墙下的地雷爆炸，宋庆手下的将领张林冒着枪弹和石头冲锋，率先登上城墙，被守军击中殉国。清军攻击部队稍稍退却，守军很快将缺口堵上。第二天，徐占彪和杨世俊下令在西南城墙下开挖地道。10月10日，所有地雷同时引爆。守军在城墙上开凿深坑，布下伏兵。杨世俊亲自率部登城，刚登上城头，被回民武装流弹击中不幸阵亡。徐占彪亲自上阵，命令部队发动更猛烈的攻击。部队冲上去，立刻有五百多人负伤。左宗棠见士兵伤亡较大，下令停止攻击。
肃州是一座大城，工事坚固。我军仰攻，伤亡太大，可惜了这些精锐啊。马文禄跑不掉了，就让他多活几天。左宗棠命令部队增修濠垒，将马文禄困死！ 10月24日，金顺从东北缺口登城，占领城头，扎下军营。从此城内老弱陆续出来投营。10月30日，刘锦棠率其老湘营劲旅五营和在西宁投降的回民部队到达肃州，前来增援，驻扎城南。攻城部队齐声欢呼，守军胆颤心惊。清军的士气更增，而围攻的行动也更加强了。清军利用崔伟、毕大才等在城下喊话，告以“死期已至，善自为谋”。
马文禄自知与左宗棠大军对抗没有任何出路和胜算，终于经不起清军的围城压力，最后，马文碌只好像马化龙 一样，于11月4日亲自去清军大营向左宗棠乞求投降，左宗棠说：马文禄罪在不赦，必须缴出全部马匹和武器，分别造出本地回民和外来回民的户口册，呈交官军。马文禄交出所有的武器与马匹，计共叉子枪一千一百七十余支，劈山炮、狗头炮、过山鸟沧、袷枪等数百件， 矛千涂牛，但马匹因多被宰食，投降时交出者则只有七十除匹。马文禄先将外地回民造册，分批放到城外，这些人来自关外沙州、甘州、西宁、河州与陕西。左宗棠将他们安置在废堡之内，将一千五百七十三名好战者登记下来。
马文禄还幻想着能与崔、禹等人一样得到重用，这次他失算了，好运气并没有再次出现在他身上。肃州回民武装所交的炮械的数并不多，双方战斗的猛烈和规模，在整个陕甘回民中仅次于金积堡战役的第二大战役。清军在围攻过程中所 遭受的埙失，也相当大。徐占彪部队战死者有五百多人，受伤者则达二千四百多人，宋庆军伤亡合计也近千人，病故者数百人，金预军阵亡及受伤者亦计有数百人。肃州经历了十年叛乱，当地汉族遭受劫难，人口锐减，回民武装领袖马文禄更首当其冲，《征西纪略》称“马文禄上次受抚时，城内还有三万多名汉民。到现在，多数已先后被他残杀，只剩下男女幸存者一千一百多人。”
1873年（同治十二年）清军进攻肃州期间，城内不时有逃出汉民；四月二十日，回民军粮草紧缺，也不得不放出400 多名饥饿垂死的汉民老幼妇女。在占领肃州清军善后时，这笔账算到了回民武装头上，11 月 12 日，左宗棠下令，将马文禄以下九人处以磔刑，将那一千五百七十三名外地回民叛匪处死。清军各部奉命分路入城。当晚，斩杀四千多名本地叛乱回民，解散九百多名老弱妇女。肃州之战就这样以马文禄的投降和肃州收复而告终。肃州战役是左宗棠平定陝甘回族暴乱过程中最后的一次重大战役，从此，嘉峪关内所有回民全被荡平。
陕甘回变终于被平定，文官武将纷纷要求派飞马高举红旗向朝廷报捷。左宗棠不许：有一点战功，就大肆铺张，那是骄奢轻狂的萌芽。有德者在一方平定时，忧虑更甚。表面的安宁，必然掩盖着深层的问题啊。还是按常规陈述战况，向朝廷奏报吧。此事风传开来，人们颇感诧异。左大帅是怎么回事？如此沉得住气？慈禧听到消息，也有所不解，连忙垂询：左卿不愿红旗报捷，难道有什么顾虑？此次亲临前敌，督饬将士，克复坚城，关内一律肃清，朕心实深喜悦，自应特沛殊恩，用昭懋赏。
左宗棠着以陕甘总督协办大学士。该大臣前经赏给骑都尉世职，并着改为一等轻车都尉世职，钦此。左宗棠一到立功受赏的时候，就会想起已经去世的刘松山。斯人已逝，军功章却都有他的一半。左宗棠上书朝廷希望追赏刘松山，并让其子能继承刘松山的世袭职位，慈禧上次没有允从他转让赏赐，这一次却顺从了左宗棠的意思。左宗棠这么做，既是为了死去的刘松山，也是为了活着的刘锦棠。
朝廷用于陕甘的巨大开支到底值不值？这个问题是不说自明了。但是，左宗棠要做清白人。战事结束了，军费的实际开支，必须得到朝廷的认可。自从进入陕西以来，直到攻克肃州之前，庞大的军费从他手里经过，开销出去，他必须向朝廷报销，以免将来说不清楚。朝廷知道他非常俭省，为了接济百姓，还把军费用于地方的赈灾和教育事业，决不会跟他计较。但左宗棠办事，喜欢一清二白，想把这个时期的账目做个了结，甩掉账务的包袱，轻装上阵，开始收复新疆。 慈禧自然没有异议，同意将陕甘的军费开支报销存档。我们新疆好地方，出关，出关清军开进肃州时，白彦虎已经跑到了哈密。
从左宗棠被调往陝甘总督于同治六年（1867年）五月率军抵达陝西，中间经过紧急性的决定率军东行追逐东窜入晋、直、鲁等省境内的捻军，实际左宗棠开始有步骤的进攻陝甘回军，应该是从同治七年十月他在平定捻军后返 回陝西西安开始。从同治七年（1868年）十月至同治十二年（1873年）九月肃州战役结束，他用了整整五年的时间，才将陝甘回民的叛乱用武力完全消灭。左宗棠进军新疆的地理通道已经没有障碍，下一步就是西出玉门关以讨平天山南北路的回民叛乱，收复新疆。至此，前后持续了十二年之久的陕甘回变（西方史学称东干战争）被清政府彻底平定。
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