1864年，正值太平天国运动和同治陕甘回族起事波及新疆，新疆各地豪强趁机而起，出现了割据纷争、各自为王的混乱局面。
1867年5月，阿古柏建立“洪福汗国”。5月，攻占库车、库尔勒后，控制南疆。
1868年，英国派遣特使会晤阿古柏，承认其政权，次年，阿古柏也派亲信米尔扎·沙迪赴印度会见英国总督，争取英国支持。英国决定向其赠送大批军火，并允许其在印度招募工匠回喀什设立军工厂。1870年，俄国也派人前往喀什会晤阿古柏，承认其政权。在这一时期，英国仍然是阿古柏的主要支持者，期望能够通过支援阿古柏将俄国的扩张阻止在天山以北。
在得到大批先进装备后，阿古柏于1870年5月攻占了吐鲁番，并收降了以白彦虎为首的陕甘回军残部，实力进一步增强。到1871年底为止，迪化、玛纳斯、鄯善先后被阿古柏攻克，同时俄国为阻止阿古柏进一步扩张，出兵占领伊犁。这样，清军在新疆仅存塔城、乌苏等少数据点。阿古柏成为了新疆的统治者。
同治十一年（1872年）七月，清廷争论讨伐阿古柏之事，左宗棠认为“既事关君国，兼涉中外，不能将就了局，且索性干去而已”，率师进驻兰州，采取“缓进速决”的战略，意图收复新疆。“缓进”，就是积极治军。左宗棠用一年半的时间筹措军饷，积草屯粮，整顿军队，减少冗员，增强军队战斗力。即使是自己的主力湘军，也剔除空额，汰弱留强。他还规定，凡是不愿出关西征的，一律给资，遣送回籍，不加勉强。“速决”，就是考虑国库空虚，为了紧缩军费开支，大军一旦出发，必须速战速决，力争在一年半左右获取全胜尽早收兵。因此，在申报军费预算时，左宗棠亲自做了调查和精微的计算，他从一个军人、一匹军马每日所需的粮食草料入手，推算出全军八万人马一年半时间所需的用度。然后，再以一百斤粮运输一百里为单位位，估算出全程的运费和消耗。甚至连用毛驴、骆驼驮运，还是用车辆运输，哪种办法节省开支也做了比较。经过周密计划，估算出全部军费开支共需白银八百万两。为防止意外开支，留有余地，宗棠向朝廷申报一千万两。
当时主管财政的大臣沈葆祯，一见西征军费的预算报告，金额甚巨，欲摊派给各省，从地方财政收入里抽调，可是这样一来则不易一时凑齐，有贻误战机之虞。左宗棠亲自去找皇帝和摄政的西太后陈述利害关系。皇帝御批道：“宗棠乃社稷大臣，此次西征以国事而自任，只要边地安宁，朝廷何惜千万金，可从国库拨款五百万，并敕令允其自借外国债五百万。”
左宗棠同时在兰州建立“兰州制造局”（亦称“甘肃制造局”），为西征军修造枪炮。为了对付阿古柏军的洋枪洋炮，由广州、浙江调来专家和熟练工人，在兰州造出大量武器，还仿造了德国的螺丝炮和后膛七响枪，改造了中国的劈山炮和广东无壳抬枪。左宗棠同时又建“甘肃织呢总局”（亦称“兰州机器织呢局”），这是中国第一个机器纺织厂。
光绪元年（1875年），朝廷上争议出兵收复新疆，引起“海防”与“塞防”之争。李鸿章等人力主海防，以日本为主要假想敌，主张放弃塞防，将“停撤之饷，即匀作海防之饷”。左宗棠则是塞防派，并力表异议，指出西北“自撤藩篱，则我退寸而寇进尺”，尤其招致英、俄渗透。
李鸿章等认为：自从乾隆年间平定新疆一百多年以来，每年都要花费数百万两饷银，这是一个填不满的无底洞，现在又要竭尽天下的财力去赡养大军西征，还不如依从英国人提出的条件，允许阿古柏政权独立，只要他答应称臣入贡就是了。
左宗棠力驳李鸿章，他认为：如果丢失新疆，则这块土地不是被西方的英国势力，就是被北方的沙俄鲸吞，中国随即失去西北边防的关卡要塞和重镇，使西北边防无以屏障，到时中国边防的兵力不但不能削减，反而会大大增加。从全局来看，不战而丢新疆的后果，对内必将严重有损国威，丧失民心；对外也必将助长列强的侵略气焰，不利于海防。以李鸿章的主张乃是误国，绝不可行。
当时的军机大臣文祥为左宗棠所说服，全力支持之：“老臣以为宗棠之言深谋远虑，上承先皇高宗之遗志，下惠子孙万代，请陛下决策。”于是慈禧太后下诏授左宗棠为钦差大臣，全权节制三军，以将军金顺为副帅，择机出塞平叛新疆。
左宗棠收复新疆的战略是先安定新疆回部，“欲收伊犁，必先克迪化”。如果迪化城克服，“我威维扬”，再大兴屯田以保证长期后勤供应，安抚新疆各部族耕牧如常。如此，“即不遽索伊犁，而已稳然不可犯矣。乌城形势既固，然后明示以伊犁我之疆索，尺寸不可让人”。
在战术上，左宗棠分析：“俄虽国大兵强，难与角力，然苟相安无事，固以度外置之。至理喻势禁皆穷，自有不得已而用兵之日，如果整齐队伍，严明纪律，精求枪炮，统以能将，岂必不能转弱为强，至此劳师袭远之寇乎？”因此，“不在先索伊犁，而在急取迪化。”左宗棠事先命西征军前锋部队统帅张曜，驻军哈密兴修水利、屯田积谷。1876年一年就收获粮食五千一百六十余石，基本上可以解决该部半年军粮所需。
为运输军粮，左宗棠又建立了三条路线：一是从甘肃河西采购军粮，出嘉峪关，过玉门，运至新疆的哈密，二是由包头、归化经蒙古草原运至新疆巴里坤或古城(今奇台)，三是从宁夏经蒙古草原运至巴里坤。
到1876年4月出兵时，左宗棠指挥的西征军有刘锦棠所部湘军25个营，张曜所部14个营和徐占彪所部蜀军5个营，包括原在新疆各个据点的清军，共有马、步、炮军一百五十余营，兵力总数近八万人。但真正开往前线作战的只有五十余营，二万多人。
因行军其间要经过著名的莫贺延碛大沙漠，流沙数百里。粮草可以马驮车载，长途运输，“惟水泉缺乏，虽多方疏浚，不能供千人百骑一日之需，非分期续进不可”。大部队行军遇到的最大问题，是人畜饮水难以解决，所以只有分批分期地行进。左宗棠坐镇肃州，命刘锦棠、金顺分兵两路，先后率师出关。他把大军分作千人一队，隔日进发一队，刘锦棠走北路，金顺走南路，到哈密会齐。 刘锦棠率领西征军主力自肃州入新，至哈密行程约1700里，很顺利地进入哈密。部队各营到达哈密后，把从肃州等地陆续运往哈密的军粮再辗转搬运，翻过东天山九曲险道，分运至巴里坤和古城(今奇台)。很快，刘锦棠的前锋部队，已占据了距离迪化只有不足三百里的济木萨(今吉木萨尔县)。
5月，两路会合。9月，首先攻下迪化。阿古柏部队二号首领白彦虎逃到托克逊。又攻克玛纳斯城，从而北路荡平。接著集结兵力转攻南路。第二年3月，又先后收复达板城和托克逊城。阿古柏逃往焉耆，留下他的小儿子驻守库尔勒为其垫后。不久，左宗棠军又收复吐鲁番，阿古柏一看通往南路的门户打开，自知大势已去，乃服毒自杀（一说被毒杀）。阿古柏的长子胡里为争权夺位杀死其弟，率领残部逃往喀什。白彦虎率领余众逃窜到开都河一带。
这时，李鸿章等海防派，又运作朝廷，发出敕令：“廷臣聚议，西征耗费巨款，今乌城、吐鲁番既得，可以休兵。”左宗棠看罢大不以为然，于是又上疏抗旨，据理力争。慈禧太后看罢他的奏章，无计，同意继续新疆收复战。
此时，沙俄又和土耳其发生战争，金顺建议乘虚袭取被沙俄霸占的伊犁。左宗棠认为师出无名，反遭其谤，留下不打。同年八月，大军从正道向西挺进，先收复南疆东四城：焉耆、库车、阿克苏、乌什；接著收复西四城：喀什、英吉沙、叶尔羌与和田。阿古柏的长子胡里与白彦虎逃往俄国。至此，这场由英、俄两国支持的阿古柏之乱乃告平息。见此情景，住在山中的布鲁特(今柯尔克孜族)十四个部落，也争相内附。
仅一年多时间，左宗棠就指挥西征军，攻克了被外寇侵占的南疆八城，收复了除伊犁以外的新疆领土。事毕，左宗棠上表申奏朝廷，光绪帝和摄政的西太后嘉其功，诏封二等侯爵。新疆各地也于大小村镇建立左公祠，烧香礼拜。
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