阿古柏侵佔了新疆和俄國出兵佔領伊犁的現實，極大地震驚了清政府。
雖然經過兩次鴉片戰爭的清朝已急劇沒落，但鎮壓太平天國和各地起義軍卻讓清軍的武器裝備和戰鬥力得到了空前提高。清廷內部對於是否收復新疆發生了極大的爭執：李鴻章主張放棄新疆，而左宗棠主張不放棄。後者在給光緒皇帝的奏章中說道：“重新疆者，所以保蒙古，保蒙古者，所以衛京師。”左宗棠的奏章最終打動了慈禧太后。
1875年，清廷下旨，任命左宗棠為欽差大臣。收復新疆的清軍總兵力約六七萬人，大都是參加了鎮壓太平天國和各地起義軍的老兵，戰鬥力極強。
1876年初，清軍先鋒已進抵新疆哈密一帶。阿古柏得知消息後，立即展開相應的軍事部署。6月，清軍開始攻擊白彥虎部回民武裝，白彥虎部大敗，清軍連克昌吉、呼圖壁，8月收復烏魯木齊，11月上旬攻克瑪納斯南城，平定了北疆地區。
1877年4月，清軍兵分三路進軍南疆，連克達坂城、托克遜、吐魯番等地，阿古柏軍隊大敗。《阿古柏伯克傳》一書中記錄，“阿古柏伯克部下的各級官兵都亂成了一團，在疑慮和失去理智的恐懼時刻，他的大多數士兵或者投向敵方，或者逃向喀喇沙爾……在這幾次戰役中，阿古柏伯克由於士兵陣亡和死於敵方攻擊，包括東干人（白彥虎部回民武裝）在內，大概損失了不下兩萬人”。
由於阿古柏對新疆實行了殘酷的統治，當清軍進軍新疆後，全境到處響起“見到安集延人（浩罕人的別稱）就殺”的口號。
1877年4月底，俄羅斯著名探險家普爾熱瓦爾斯基路過庫爾勒，身材矮小肥胖，長著黑鬍子，頭髮斑白的阿古柏在庫爾勒親自接見了他。普爾熱瓦爾斯基後來在回憶錄中寫道：“阿古柏伯克本人和亞洲所有的買賣舊貨的小販一樣……喀什噶爾王國（指“洪福汗國”）同樣連一個銅板都不值。”普爾熱瓦爾斯基在南疆探險考察過程中發現，當地民眾都非常厭惡阿古柏，其政權只是靠著軍事恐怖來維持的。
1877年5月1日凌晨，阿古柏突然在庫爾勒死去，死因至今成謎。《清史稿》中記錄，他是因為局勢惡化，自己喝了毒酒自殺的；也有人說，他是被布素魯克之子阿奇木謀殺的；還有英國人記載，他因一件小事和一名小吏吵鬧打架，被小吏失手打死；知名的《土耳其斯坦報》則報道了，他是在患了7天的熱病後死去的……
新疆重回中國版圖
英國《泰晤士報》最先報道了阿古柏死去的消息。1877年7月16日，該報報道阿古柏曾在遺囑中把“洪福汗國”的王位傳給當年被他趕下臺的布素魯克之子阿奇木，但被阿奇木拒絕。阿古柏死後，其次子哈克於5月13日將他的屍體從庫爾勒運回喀什噶爾安葬，行程中，遇到了從喀什噶爾趕來的阿古柏大兒子胡裡，胡裡趁弟弟不備，拔出手槍將其擊斃，並殺死了弟弟的隨從。
之後，胡裡宣佈自己繼承“洪福汗國”王位。
此時，清軍的打擊仍在繼續。胡裡無力抵抗，率部西逃，留下白彥虎殘部阻擋清軍。白彥虎自知無力抵禦，掘開河水阻擋，還在當地大肆搶掠，隨後撤退到喀什噶爾，為準備逃往俄羅斯探路，並先行派人進入俄羅斯聯繫。
與此同時，當年把布素魯克和阿古柏從塔什干迎回南疆的柯爾克孜族首領思的克，又重新聚集起力量，在喀什噶爾與胡裡展開激戰，胡裡依靠佔優勢的兵力，好不容易才把思的克趕回山區。布素魯克之子阿奇木也集結了一支忠軍，在阿克蘇附近與胡裡展開激戰，最終被人數佔優的胡裡擊敗，只得率殘軍逃入俄羅斯，後被俄羅斯拘禁，作亂新疆上百年的和卓回部從此退出了歷史舞臺。
此時，10多年前打開喀什噶爾漢城投降的清軍將領何步雲，已率舊部重新佔領喀什噶爾漢城，並宣佈脫離“洪福汗國”而重歸祖國。12月初，阿古柏的大兒子胡裡從和田逃到喀什噶爾與白彥虎會合，兩人合兵進攻何步雲。然而，在何步雲和漢城清舊軍和漢民的堅守下，一連多天的進攻沒有得手。眼見清大軍即將兵臨喀什噶爾，胡裡和白彥虎只得率殘部西遁。清軍窮追不捨，各地各族人民也紛紛起來支持清軍，到1878年元月，清軍收復南疆全部地區。
白彥虎出逃新疆後進入了俄羅斯，被當局安插在楚河邊上的托克瑪克一帶，為利用白彥虎餘部制約中國，俄當局准許白彥虎餘部5年不納糧，20年不抽丁，並拒絕將白彥虎引渡給清政府。1882年，53歲的白彥虎死於託呼瑪克。
胡裡出逃新疆後，回到了浩罕汗國首都塔什干，他因為在新疆戰敗以及殺死親弟弟，已不為舊時浩罕官方人士和人民看重，他和他的家族從此退出了歷史舞臺。
在清軍重兵駐疆施壓和清廷多次交涉下，沙俄在攫取了中國大量利益和獲得鉅額賠款後歸還了伊犁地區，新疆終於全部迴歸中國。
1884年，清政府正式在新疆建省。
英國人包羅傑在《阿古柏伯克傳》一書中總結了清軍打敗阿古柏，收復新疆的歷史功績：“中國人克服東土耳其斯坦（指新疆），毫無疑義，是一件近五十年中在亞洲發生過的最值得注意的事件，同時這是自一個多世紀以前乾隆征服這個地區以來，一支由中國人領導的中國軍隊所曾取得的最光輝的成就。”
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