一、作戰部署
1876年4月7日，左宗棠從蘭州移駐肅州，準備發起進攻。當時，清軍已出關的兵力有：廣東陸路提督張曜的河南嵩武軍十四營和總兵桂錫楨的騎兵一營一起，駐哈密；烏魯木齊都統金順的馬步三十九營（包括歸其統轄的景廉舊部馬步十九營）和涼州副都統額爾慶額的騎兵一營一起，駐巴裡坤、古城一帶。左宗棠命張曜所部固守哈密，防敵由吐魯番東犯；命金順部進駐濟木薩，監視敵人行動。4月底，總理行營營務、湘軍統領劉錦棠率馬步二十五營分批入疆，經哈密前往巴裡坤。不久，記名提督徐占彪率所部蜀軍馬步五營也出關繼進。至此，先後出關各軍總計八十餘營。加上原在新疆的伊犁將軍榮全所部八營（駐塔爾巴哈台）、哈密辦事大臣文麟所部四營（駐哈密）等，總兵力約六七萬人。此外，在星星峽以東擔任警備的部隊尚有二十餘營，起著戰略預備隊的作用。左宗棠率親兵數營，坐鎮肅州指揮，「其前路進止機宜，悉委總統湘軍劉錦棠相機酌度」１。
清軍按照先北後南的既定方針，第一個目標是收復南北疆的交通要衝烏魯木齊。左宗棠命劉錦棠和金順兩部擔負此項任務。
烏魯木齊位於東西天山接合部的北麓，三面環山，北部及西北部較為開闊，但有古牧地（今米泉）為其外衛，南面有天山作為依托，地形比較險要。由濟木薩西行二百四十里是阜康，由阜康又西南行百里是古牧地，古牧地的西南才是烏魯木齊。因此，左宗棠認為，「官軍必先攻古牧地，撤烏垣、紅廟（烏魯木齊漢城，即迪化州城）之藩籬，乃可成搗穴犁巢之舉」２。
阿古柏得知清軍西進的消息後，急忙從阿克蘇趕到托克遜，調兵遣將，佈置防禦：命妥明餘黨馬人得、馬明和白彥虎等分守烏魯木齊、昌吉、呼圖壁、瑪納斯、古牧地等地，企圖以天山為依托，以烏魯木齊為支柱，控制南北疆的交通要衝，阻止清軍南下。鑒於達阪城及其東南的狹窄河谷是東西天山的接合部，為烏魯木齊通往吐魯番、辟展（令鄯善）、托克遜的交通咽喉，派重兵把守；為了防止清軍從哈密、巴裡坤方向進攻吐魯番，還派兵一部控制要點勝金台及辟展、七克騰木（今七克台）等地。阿古柏的主力部署在吐魯番和托克遜：吐魯番由布素魯克之侄艾克木汗防守；托克遜由阿古柏之次子海古拉（即哈克·庫裡）防守；阿古柏本人則在托克遜督戰。其總兵力約四萬人。
二、作戰經過
1876年7月，劉錦棠率所部各營到達巴裡坤，並進駐古城，偵知馬人得踞烏魯木齊，白彥虎踞紅廟子，馬明踞古牧地。根據當面敵情，劉錦棠於21日輕騎赴濟木薩，與金順商議進軍事宜，並察看地形。28日，金順部進駐阜康城，劉錦棠部則於城東的九運街紮營，沿途各要隘均派營守護。此時，馬明已被阿古柏逮往南疆（阿古柏和白彥虎懷疑他與清軍私通），古牧地由王治、金中萬率兵數千駐守。為阻止清軍前進，白彥虎等由紅廟移據古牧地，阿古柏也派出部分侵略軍助守。劉錦棠考慮到當時正收穫麥豆，有糧可因，「雖後隊尚未到齊，然師期不宜再緩」１，毅然決定提前進攻古牧地。
從阜康至古牧地有兩條道路：一條是大道，從阜康縣城西行二十里至西樹兒頭子，有廢渠可引縣西之水供給飲用，但從此再往西五十里至黑溝驛，除甘泉堡有可供百人一天的飲水外，全是戈壁，供水困難；另一條是途經黃田的小道，水源充足，但敵軍已在該處築卡樹柵，嚴密防守。顯然，白彥虎企圖引誘清軍由大道越過五十里戈壁而來，迫使其處於前阻堅城、人馬渴乏的不利境地。
8月8日，劉錦棠率軍進至阜康縣城西十里處，開溝引水，節節疏通，將水引至西樹兒頭子，就地築壘。9日，派出步騎各隊故意在甘泉堡掘井挖渠，佯裝要從大道進攻。10日夜半，劉錦棠與金順所部突然從小路偷襲黃田。11日清晨到達後，迅速搶佔附近高地。接著，金順所部從右路進攻，劉錦棠所部從左路進攻。左路又分為兩翼：左翼以總兵余虎恩、陶鼎金的騎兵為前鋒，總兵譚拔萃、參將董福祥、副將張俊的步兵殿後；右翼以提督黃萬鵬的騎兵為前鋒，總兵譚上連和提督肖元亨、戴宏勝、譚慎典、湯秀齋的步兵殿後。炮兵及輜重隨後跟進。左路左翼的余虎恩和右翼的黃萬鵬兩支騎兵分馳下山，敵軍騎兵也向前迎戰。由於清軍勇猛衝擊，敵騎不支，不得不出動步兵配合作戰，妄圖阻止清軍騎兵的進攻。此時，清軍騎兵分張兩翼，向敵左右包抄，譚拔萃、譚上連、董福祥等則率步兵投入戰鬥，由中路攻擊敵軍。於是敵軍陣勢大亂，劉錦棠督率步騎各營乘勝追殺至古牧地。與此同時，右路的金順部也取得了勝利。劉錦棠鑒於古牧地城池堅固，不易很快攻下，便回駐黃田。
8月12日，清軍進扎古牧地城東和東北。13日清晨，阿古柏派往北疆的數千騎兵在阿托愛的率領下，從紅廟來援。劉錦棠針對敵人已在城東和東北的山地依山築壘，加強了外圍防禦，並得到阿古柏派兵增援等情況，決定採取先掃外圍，再攻堅城的戰法。他當即命余虎恩、黃萬鵬率騎兵馳赴山前嚴陣以待，並派步兵一部為後應；命步兵分兩路攻取山壘，分兩路奪占南關；命炮兵構築臨時炮台，配合步兵轟擊山壘和南關之敵。戰鬥打響後，清軍很快奪佔了山壘和南關，守敵退入城中。趕來增援的阿托愛所部騎兵也被清軍騎兵擊敗，向南潰退。
劉錦棠和金順策馬巡視古牧地，知敵軍守備甚嚴，必須強攻，便令各營四面包圍敵人：金順部在城正西、西北、西南三面築壘；劉錦棠部在城正北、東北、正東、東南、正南築壘。與此同時，抽派兵勇於南城外晝夜趕修炮台，要求以高過城牆一丈為度；其它各面炮台也都培土鋪板，以便安炮。8月15日，炮台竣工，劉錦棠命譚拔萃率千總莊偉等用開花大炮轟塌古牧地東北面城牆，並對準缺口進行了連續轟擊。16日，將開花大炮移至城之正東，轟開另一個缺口，接著用開花小炮及劈山炮繼續進行轟擊。夜半，劉錦棠傳集將領佈置攻城任務：命譚拔萃督同提督席大成、副將湯仁和率兵三營由城東北缺口進攻；譚上連督同肖元亨、戴宏勝率兵三營由正東缺口進攻；知府羅長祜督同副將楊金龍及莊偉率親兵用開花大炮轟擊南門，並調標針快響槍、七響洋槍以及劈山炮配置於開花大炮兩側，同時轟擊南門；命譚慎典、董福祥等率部潛伏牆壕待機，一旦南門轟開，即行攻入；命知州袁堯齡、提督唐國華等率部列隊於城南左右兩側，準備接應，並截擊逃敵；命余虎恩、黃萬鵬、陶生林等率騎兵一部分佈於正南一帶山岡，提督張春發、陳廣發率步兵兩營分佈於城西南一帶平地，擔任警戒和截擊逃敵的任務。
8月17日黎明，炮兵轟塌南城，攻城部隊衝入缺口，各以火藥包投向敵人。後續部隊迅速挖土填壕，湧入城中展開巷戰。金順所部亦由東北面並進。敵軍大部被殺，少數由缺口逃出者，也被預伏的清軍殲滅。當時白彥虎未在城中，倖免一死。守城頭目王治、金中萬及阿古柏的部將多人均被擊斃。
這次戰鬥，殲敵近六千人（其中有阿古柏兵三百五十八人），俘敵二百一十五人，獲戰馬二百餘匹以及火藥、硝磺數千斤。清軍陣亡一百五十八名，傷四百五十人。
攻克古牧地時，清軍繳獲守城敵軍頭目王治、金中萬向烏魯木齊求救的信件一封，上有馬人得的批復：「烏城精壯已悉數遣來，現在三城（按：即烏魯木齊、迪化州城及妥明所築的偽王城）防守乏人，南疆之兵（按：指阿古柏軍）不能速至，爾等可守則守，否則退回烏城，併力固守亦可」１。劉錦棠得知這一情況後，決定不失時機地乘虛蹈隙，除留兩營兵力扼守古牧地外，即率所部於8月18日黎明急速向烏魯木齊挺進。白彥虎和馬人得不料清軍來得如此迅速，一聞炮聲，即棄城向達阪方向逃跑。清軍在烏魯木齊城北十餘里處，即發現敵人有棄城南逃的企圖，劉錦棠當即命余虎恩率騎兵三營、譚拔萃率步兵四營由左路追擊，命黃萬鵬率騎兵一部、譚上連率步兵四營由右路追擊，命譚慎典等率步兵三營向烏城疾進。敵人望風潰逃，清軍立將烏魯木齊、迪化州城及偽王城收復。阿古柏所遣援軍五千騎進至達阪城後，聞敗而止。
烏魯木齊收復後，左宗棠命劉錦棠駐守該城，並繼續搜捕山中逃敵；命金順揮軍西進，攻取烏魯木齊以西各城。盤踞於昌吉、呼圖壁與瑪納斯北城之敵如驚弓之鳥，清軍尚未到達即棄城逃走。惟瑪納斯南城之敵，憑借城垣堅固，地形開闊，易守難攻，仍併力死守。9月2日起，金順率部從昌吉進攻瑪納斯南城，久圍不克。10月4日，劉錦棠派羅長祜、譚拔萃、董福祥等率部增援。10月13日，伊犁將軍榮全也率部前往合攻。直至11月6日，才將瑪納斯南城攻克。至此，天山以北，除伊犁地區外，所有敵佔據點全部克復。這時冬季來臨，大雪封山，不便於大規模的軍事行動。清軍利用這一機會，一面繼續肅清殘敵，一面就地整訓部隊，並徵集糧秣，建立采糧和轉運機構，準備明春向南疆進軍。
烏魯木齊的收復，具有重要意義。誠如左宗棠所說：「不得烏魯木齊，無駐軍之所，賊如紛竄，無以制之，不僅陝甘之憂，即燕晉內外蒙古，將無息肩之日。若停軍巴、古以東瘠區，兵少無以扼奔沖，兵多徒以耗軍餉，……斷難為持久之計」１。由於北疆作戰的速戰速決，使清軍鞏固了在新疆的戰略地位，不僅解除了敵軍竄犯內地的後顧之憂，更為以後進軍南疆創造了有利的條件。