1872年8月，左宗棠率军抵达兰州。他拟定作战计划，打算先挥师拿下青海省会西宁，之后再掉转兵力，对甘肃的回民暴动军发起攻击。
那时候，总兵黄武贤所率部队以及部分豫军，在西宁东北的威远堡（也就是如今的青海互助）坚守。左宗棠派遣手下猛将、有着三品衔的云骑尉（代理西宁道）刘锦棠担任主帅，带领军队去进攻西宁。
8月23日到9月3日期间，刘锦棠带领提督何作霖、余虎恩等，还有总兵谭慎典、陈宗蕃，副将陶鼎金、董福祥等，加上都司李双良、张俊等，共18营约6000将士，陆陆续续抵达了碾伯。
在宁夏回民暴动行将失败之际，陕西回民暴动军和他们的眷属约3万人，在白彦虎、禹得彦、崔三（原名崔伟）、毕大才的引领下，几经辗转撤到西宁。他们与青海回军联合起来并肩作战，让西宁回军的实力快速增强。
西宁回军首领马桂源曾替青海各地回军头目向左宗棠“乞抚”，左宗棠虚与委蛇，没给出正式回应。等大批清军陆续赶来，马桂源指责清军破坏“抚局”。而且他还得到白彦虎、禹得彦等陕西回军助力，便拒绝向清军缴械，打算武力抵抗。
记载显示，9月28日，马桂源于西宁府东关秘密邀约白彦虎、崔三、禹得彦等陕回首领，共商联合抗清之策。众人推举马氏兄弟为首，马本源自称统领陕湟兵马大元帅，马桂源仍任西宁知府。之后指挥回军撤离西宁府城，集结各路回军与撒拉军，部署在平戎驿到小峡口一线。西宁道郭襄之留守府城，大军撤出后紧闭城门等清军。
刘锦棠从碾伯向西宁发起进攻，这无疑是一场孤军深入的冒险之举。要从碾伯到西宁，需先在离县城7里的地方渡过湟水，然后沿着河西行，方可到达西宁府城。此地南北两山相对，湟水从中穿过，这便是古书中所说的湟中。
从碾伯到小峡口大概80华里，有段路山高谷深，地势奇险，道路又崎岖又狭窄。大军难通过，战马更难行，只能下马依次摸索前进。回民军早就在这数十里高峰林立处设伏，还在南北沟岔复杂的险要处修了不少堡寨（据说超百座）严防清军。
刘锦棠准备挥军进攻时，遵循左宗棠“先剿客回”的作战方针，先派人告知“土回”：“官军要进剿大小南川，只是借道，你们不必惊慌”。随后，他亲自率领马步大军，克服困难抵达平戎驿，靠近陕回驻地大小南川，在马营湾和三十里铺安营扎寨，与小峡口形成呼应之势，声威惊人。
刘锦棠使尽浑身解数，妄图分化土回和客回的同盟关系。然而西宁回军没被他的这些手段蒙骗，土回与客回齐心协力、紧密团结，在战场上并肩作战，战阵彼此相连，共同对抗敌人。
【湟中血战】
9月13日，土回与客回组成的联军兵分多路，对清军各营寨发起攻击。从那时起，在平戎驿至小峡口长达数十里的战线上，约3万陕西、西宁回民军与数千清军展开了一场前所未有的惨烈血战。
连日来，陕、青回民军全力出击，对清军各营盘发起猛烈攻击。史料显示，清军反扑时，回民军如潮水般漫山遍野杀来，枪炮声中炮子乱飞，还分兵扰敌，让清军应接不暇。在平戎驿等地，双方反复争夺堡寨。回民军战法多样，或夜袭、或伏击、或截粮，清军日夜难安。左宗棠知悉刘锦棠困境，派刘明灯等率部增援。
清军作为训练有素、实战经验丰富的正规军，装备相当精良，有性能不错的洋枪和后膛车轮开花大炮，火力远非回民军可比。渡过起初的慌乱，清军迅速恢复并反击。经多日激战，他们拿下小峡口以东100多座回军堡垒，刘锦棠的老湘军还攻破陕西回军驻地大小南川。
当年11月10日至20日，一万多名回民军在小峡口地区拼死抵抗。邓增所率清军于湟水北岸架炮猛轰，回民军伤亡惨重，战场上尸骸狼藉、断肢满地，景象凄惨。高寨等地堡垒被轰毁，南岸堡寨也被清军拿下，小峡口阵地最终落入清军之手。
作战部队回军奋力再战，却难以支撑战局，无奈之下撤离小峡防线。清军借此机会，成功打通前往西宁的道路，自此与驻守西宁的清军取得联系，双方声讯得以互通。
11月17日，西宁的郭襄之派人缒城到刘锦棠大营求救，称府城被马桂源等回民军围困两月，城内粮食快没了，情况十分危急。刘锦棠立即督军西进，势如破竹地拿下小峡口、羊角湾等回军据点，顺利到了西宁城下。刘军入城，郭襄之、恩禄率守军迎接，此前几场杀戮后，城中回民仅千余幸存者。
湟中之战里，西宁回民军与逃至青海的陕西回民军携手，和清军鏖战超60天，历经大小战斗50余次。最终回民军战败，数千人战死。清军虽伤亡没回军大，也损失惨重。刘锦棠战后称所部伤亡以千计，左宗棠奏报也承认伤亡近千。
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