左宗棠一年的军费支出约需银八百多万两，而他实际只能收到五百多万两，即每年要短缺三百万两。所谓"海防"之议起，各省实解的西征"协饷"(当时西征军费由各省、关分摊)更只剩下二百几十万两。
为摆脱窘境，他只好委托胡雪岩借外债以充军费，最后，清政府决定从户部的海关税中拨出二百万两，并命各省海关先解银三百万两(限期三个月)，再由左宗棠自借外债五百万两，才暂时解决了军费的难题。
解决了军饷问题之后，左宗棠还做了以下准备工作：
首先选将，选择了一直跟随他的楚勇和老湘军中刘锦棠、张曜、金云昌、徐占彪、易开俊、董福祥等能征惯战得力之将；其次采用精兵战略、淘汰冗杂，严明纪律、严格训练；第三配备新式武器，采购德国新式后膛大炮、开花小炮、快响枪、来福枪等装备。
左宗棠认为"自古关塞用兵，在精不在多"。因此首先整顿了关外部队，裁减冗兵，节约军饷，并将畏缩不前的乌鲁木齐提督成禄奏清政府撤职查办，将景廉旧部三十四营裁并成十九营(以后金顺接统又裁并一次)。刘锦棠部的"老湘军"作为西征的主力部队，于1875年秋天在凉州(甘肃武威)训练了几个月，1875年二月下旬才进驻肃州(甘肃酒泉)，并于四月份三批出关。
对于出关各军的武器装备，左宗棠也做了调整和充实，尽量配备比较先进的武器。金顺出关时，配备开花大炮一门；桂锡桢出关时，配备德国后膛开花大炮一门；张曜出关时，配备各种炮十一门，主力刘锦棠部配备最优，除原有枪炮外，出关时又配备包括新式大炮在内的各种火炮十多门，各种枪支一千多杆；侯名贵的炮队计有大、小炮六门，七响马枪三孔四十支(每支配子弹五百六十发)。前线指挥官还使用了双筒望远镜。
英国人包罗杰评论说："这支在东土耳其斯坦的中国军队完全不同于所有以前在中亚的中国军队；它基本上近似一个欧洲强国的军队。"
第四准备粮饷，经清政府同意从各省借调粮饷，从外地购粮；
第五在哈密修水渠屯田；第六针对进疆路途遥远，沿途广设粮运台站，官民结合、节节转运。
为做到"知己知彼"，左宗棠还很重视敌情的搜集和分析。他曾多次派人出关了解阿古柏窃据新疆的来龙去脉及当前状况，认真研究作战对手。他还通过在上海筹办军需的胡雪岩了解各国动向，收集外交情报，以配合军事行动。
对英、俄争霸亚洲的矛盾，左宗棠有自己的分析，他指出："俄、英倏婚媾，倏仇雠，十余年前尚战争不已，彼此忌嫉，至今如故。其衅端則肇于争印度、争土耳其。"为了利用英、俄矛盾，集中力量消灭阿古柏政权，左宗棠主张暂不涉及伊犁问题，避免分散力量，两个拳头打人。
左宗棠面对的是天山以北的俄军和南疆的阿古柏叛匪两个敌人，左把沙俄侵略与收复伊犁作为战争出发点，但不直接收复伊犁，先在军事上讨伐阿古柏这个弱敌，首攻乌鲁木齐，避免一个拳头同时打两处，造成兵力分散。通过收复乌鲁木齐在政治上打击沙俄，为下一步收复伊犁扫清障碍。刘锦棠率征西主力西进时，左宗棠叮嘱其进兵要"缓进急战"、攻取方向要先北后南。
"缓进"就是根据新疆路途遥远、地域广阔的特点，在每一战役开始前做好充分准备，不要急于求战。"急战"则是当作战条件成熟后行动坚定，速战速决，避免旷日持久的打消耗战。
阿古柏主力集中在南疆，乌鲁木齐相对较弱，且打下乌鲁木齐后能割断沙俄与阿古柏的联系。
1876年四月七日，左宗棠从兰州抵达肃州(酒泉)，在这里设置大本营，就近指挥。同月，湘军总统刘锦棠在与左宗棠"熟商进兵机宜"后，率主力部队二十五营(约一万一千人左右)前后分四批出星星峡，向哈密迸发(此时金顺、张曜、额尔庆额各部均早已出关)，紧接着又派蜀军徐占彪部五营出关驻扎巴里坤，以固后路。
1876年七月二十一日，湘军总统刘锦棠与乌鲁木齐都统金顺在吉木萨尔会商进兵计划。
1876年八月刘锦棠以疑兵走大路，以重兵走小路急进，迅速攻占乌鲁木齐外围重要据点古牧地（今米泉），逼迫守乌鲁木齐的马人得弃城南逃，刘一举收复乌鲁木齐，随后攻破阿古柏在北疆的各个据点，北疆之战确立了西征军的战略主动。
左宗棠亲率西征军由北向南连克达坂、托克逊、吐鲁番，1877年8月至1878年1月西征军休整以后陆续收复库尔勒、库车、拜城、阿克苏、乌什、叶尔羌、喀什、和田，阿古柏被部下在水中下毒毒死。
阿古柏死后，他的两个儿子为争夺继承权发生火并，内部更加分崩离析。但左宗棠由于"饷源涸竭，转运不继"，遂把第三个战役推迟到秋凉之后。炎夏一过，刘锦棠部三十二营以托克逊为基地，于八月二十五日发动秋季攻势，张曜部十五营为第二梯队继进，左宗棠另调易开俊马步七营填防吐鲁番。
当清军继续西进吋，白彦虎已于决开都河后狼狈逃窜，喀拉沙尔、库尔勒之间均被水淹，清军涉水、搭桥而进，十月十七日在库车郊外赶上白彦虎大队，歼敌千余人，然后连克库车、阿克苏、乌什。从库尔勒至库车，六天内行军八百余里，前后"拔出被裹回众以十万计"。十二月十七日，清军冒着严寒进克喀什噶尔，并陆续收复叶尔羌、英吉沙尔，最后于1878年一月二日收复和阗。阿古柏的大儿子伯克胡里和白彦虎穷途末路，遂窜出边境，置身于沙俄的卵翼之下。
清军远征阿古柏取得了重大胜利，由进军北路到收复南疆虽历时一年半，实际作战却不过八个半月，进展之速超过一般人的预料，一些西方"评论家"也承认这是"一支出中国人领导的中国军队所曾取得的最光辉的成就"。
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