一、作战部署
1876年4月7日，左宗棠从兰州移驻肃州，准备发起进攻。当时，清军已出关的兵力有：广东陆路提督张曜的河南嵩武军十四营和总兵桂锡桢的骑兵一营一起，驻哈密；乌鲁木齐都统金顺的马步三十九营（包括归其统辖的景廉旧部马步十九营）和凉州副都统额尔庆额的骑兵一营一起，驻巴里坤、古城一带。左宗棠命张曜所部固守哈密，防敌由吐鲁番东犯；命金顺部进驻济木萨，监视敌人行动。4月底，总理行营营务、湘军统领刘锦棠率马步二十五营分批入疆，经哈密前往巴里坤。不久，记名提督徐占彪率所部蜀军马步五营也出关继进。至此，先后出关各军总计八十余营。加上原在新疆的伊犁将军荣全所部八营（驻塔尔巴哈台）、哈密办事大臣文麟所部四营（驻哈密）等，总兵力约六七万人。此外，在星星峡以东担任警备的部队尚有二十余营，起着战略预备队的作用。左宗棠率亲兵数营，坐镇肃州指挥，“其前路进止机宜，悉委总统湘军刘锦棠相机酌度”①。
清军按照先北后南的既定方针，第一个目标是收复南北疆的交通要冲乌鲁木齐。左宗棠命刘锦棠和金顺两部担负此项任务。
乌鲁木齐位于东西天山接合部的北麓，三面环山，北部及西北部较为开阔，但有古牧地（今米泉）为其外卫，南面有天山作为依托，地形比较险要。由济木萨西行二百四十里是阜康，由阜康又西南行百里是古牧地，古牧地的西南才是乌鲁木齐。因此，左宗棠认为，“官军必先攻古牧地，撤乌垣、红庙（乌鲁木齐汉城，即迪化州城）之藩篱，乃可成捣一穴一犁巢之举”②。
阿古柏得知清军西进的消息后，急忙从阿克苏赶到托克逊，调兵遣将，布置防御：命妥明余一党一马人得、马明和白彦虎等分守乌鲁木齐、昌吉、呼图壁、玛纳斯、古牧地等地，企图以天山为依托，以乌鲁木齐为支柱，控制南北疆的交通要冲，阻止清军南下。鉴于达坂城及其东南的狭窄河谷是东西天山的接合部，为乌鲁木齐通往吐鲁番、辟展（令鄯善）、托克逊的交通咽喉，派重兵把守；为了防止清军从哈密、巴里坤方向进攻吐鲁番，还派兵一部控制要点胜金台及辟展、七克腾木（今七克台）等地。阿古柏的主力部署在吐鲁番和托克逊：吐鲁番由布素鲁克之侄艾克木汗防守；托克逊由阿古柏之次子海古拉（即哈克·库里）防守；阿古柏本人则在托克逊督战。其总兵力约四万人。
二、作战经过
1876年7月，刘锦棠率所部各营到达巴里坤，并进驻古城，侦知马人得踞乌鲁木齐，白彦虎踞红庙子，马明踞古牧地。根据当面敌情，刘锦棠于21日轻骑赴济木萨，与金顺商议进军事宜，并察看地形。28日，金顺部进驻阜康城，刘锦棠部则于城东的九运街扎营，沿途各要隘均派营守护。此时，马明已被阿古柏逮往南疆（阿古柏和白彦虎怀疑他与清军私通），古牧地由王治、金中万率兵数千驻守。为阻止清军前进，白彦虎等由红庙移据古牧地，阿古柏也派出部分侵略军助守。刘锦棠考虑到当时正收获麦豆，有粮可因，“虽后队尚未到齐，然师期不宜再缓”①，毅然决定提前进攻古牧地。
从阜康至古牧地有两条道路：一条是大道，从阜康县城西行二十里至西树儿头子，有废渠可引县西之水供给饮用，但从此再往西五十里至黑沟驿，除甘泉堡有可供百人一天的饮水外，全是戈壁，供水困难；另一条是途经黄田的小道，水源充足，但敌军已在该处筑卡树栅，严密防守。显然，白彦虎企图引一诱清军由大道越过五十里戈壁而来，迫使其处于前阻坚城、人马渴乏的不利境地。
8月8日，刘锦棠率军进至阜康县城西十里处，开沟引水，节节疏通，将水引至西树儿头子，就地筑垒。9日，派出步骑各队故意在甘泉堡掘井挖渠，佯装要从大道进攻。10日夜半，刘锦棠与金顺所部突然从小路偷袭黄田。11日清晨到达后，迅速抢占附近高地。接着，金顺所部从右路进攻，刘锦棠所部从左路进攻。左路又分为两翼：左翼以总兵余虎恩、陶鼎金的骑兵为前锋，总兵谭拔萃、参将董福祥、副将张俊的步兵殿后；右翼以提督黄万鹏的骑兵为前锋，总兵谭上连和提督肖元亨、戴宏胜、谭慎典、汤秀斋的步兵殿后。炮兵及辎重随后跟进。左路左翼的余虎恩和右翼的黄万鹏两支骑兵分驰下山，敌军骑兵也向前迎战。由于清军勇一猛一冲击，敌骑不支，不得不出动步兵配合作战，妄图阻止清军骑兵的进攻。此时，清军骑兵分张两翼，向敌左右包抄，谭拔萃、谭上连、董福祥等则率步兵投入战斗，由中路攻击敌军。于是敌军阵势大乱，刘锦棠督率步骑各营乘胜追杀至古牧地。与此同时，右路的金顺部也取得了胜利。刘锦棠鉴于古牧地城池坚固，不易很快攻下，便回驻黄田。
8月12日，清军进扎古牧地城东和东北。13日清晨，阿古柏派往北疆的数千骑兵在阿托一爱一的率领下，从红庙来援。刘锦棠针对敌人已在城东和东北的山地依山筑垒，加强了外围防御，并得到阿古柏派兵增援等情况，决定采取先扫外围，再攻坚城的战法。他当即命余虎恩、黄万鹏率骑兵驰赴山前严阵以待，并派步兵一部为后应；命步兵分两路攻取山垒，分两路夺占南关；命炮兵构筑临时炮台，配合步兵轰击山垒和南关之敌。战斗打响后，清军很快夺占了山垒和南关，守敌退入城中。赶来增援的阿托一爱一所部骑兵也被清军骑兵击败，向南溃退。
刘锦棠和金顺策马巡视古牧地，知敌军守备甚严，必须强攻，便令各营四面包围敌人：金顺部在城正西、西北、西南三面筑垒；刘锦棠部在城正北、东北、正东、东南、正南筑垒。与此同时，一抽一派兵勇于南城外昼夜赶修炮台，要求以高过城墙一丈为度；其它各面炮台也都培土铺板，以便安炮。8月15日，炮台竣工，刘锦棠命谭拔萃率千总庄伟等用开花大炮轰塌古牧地东北面城墙，并对准缺口进行了连续轰击。16日，将开花大炮移至城之正东，轰开另一个缺口，接着用开花小炮及劈山炮继续进行轰击。夜半，刘锦棠传集将领布置攻城任务：命谭拔萃督同提督席大成、副将汤仁和率兵三营由城东北缺口进攻；谭上连督同肖元亨、戴宏胜率兵三营由正东缺口进攻；知府罗长祜督同副将杨金龙及庄伟率亲兵用开花大炮轰击南门，并调标针快响槍、七响洋槍以及劈山炮配置于开花大炮两侧，同时轰击南门；命谭慎典、董福祥等率部潜伏墙壕待机，一旦南门轰开，即行攻入；命知州袁尧龄、提督唐国华等率部列队于城南左右两侧，准备接应，并截击逃敌；命余虎恩、黄万鹏、陶生林等率骑兵一部分布于正南一带山冈，提督张春发、陈广发率步兵两营分布于城西南一带平地，担任警戒和截击逃敌的任务。
8月17日黎明，炮兵轰塌南城，攻城部队冲入缺口，各以火药包投向敌人。后续部队迅速挖土填壕，涌一入城中展开巷战。金顺所部亦由东北面并进。敌军大部被杀，少数由缺口逃出者，也被预伏的清军歼灭。当时白彦虎未在城中，幸免一死。守城头目王治、金中万及阿古柏的部将多人均被击毙。
这次战斗，歼敌近六千人（其中有阿古柏兵三百五十八人），俘敌二百一十五人，获战马二百余匹以及火药、硝磺数千斤。清军阵亡一百五十八名，伤四百五十人。
攻克古牧地时，清军缴获守城敌军头目王治、金中万向乌鲁木齐求救的信件一封，上有马人得的批复：“乌城一精一壮已悉数遣来，现在三城（按：即乌鲁木齐、迪化州城及妥明所筑的伪王城）防守乏人，南疆之兵（按：指阿古柏军）不能速至，尔等可守则守，否则退回乌城，并力固守亦可”①。刘锦棠得知这一情况后，决定不失时机地乘虚蹈隙，除留两营兵力扼守古牧地外，即率所部于8月18日黎明急速向乌鲁木齐挺一进。白彦虎和马人得不料清军来得如此迅速，一闻炮声，即弃城向达坂方向逃跑。清军在乌鲁木齐城北十余里处，即发现敌人有弃城南逃的企图，刘锦棠当即命余虎恩率骑兵三营、谭拔萃率步兵四营由左路追击，命黄万鹏率骑兵一部、谭上连率步兵四营由右路追击，命谭慎典等率步兵三营向乌城疾进。敌人望风溃逃，清军立将乌鲁木齐、迪化州城及伪王城收复。阿古柏所遣援军五千骑进至达坂城后，闻败而止。
乌鲁木齐收复后，左宗棠命刘锦棠驻守该城，并继续搜捕山中逃敌；命金顺挥军西进，攻取乌鲁木齐以西各城。盘踞于昌吉、呼图壁与玛纳斯北城之敌如惊弓之鸟，清军尚未到达即弃城逃走。惟玛纳斯南城之敌，凭借城垣坚固，地形开阔，易守难攻，仍并力死守。9月2日起，金顺率部从昌吉进攻玛纳斯南城，久围不克。10月4日，刘锦棠派罗长祜、谭拔萃、董福祥等率部增援。10月13日，伊犁将军荣全也率部前往合攻。直至11月6日，才将玛纳斯南城攻克。至此，天山以北，除伊犁地区外，所有敌占据点全部克复。这时冬季来临，大雪封山，不便于大规模的军事行动。清军利用这一机会，一面继续肃清残敌，一面就地整训部队，并征集粮秣，建立采粮和转运机构，准备明春向南疆进军。
乌鲁木齐的收复，具有重要意义。诚如左宗棠所说：“不得乌鲁木齐，无驻军之所，贼如纷窜，无以制之，不仅陕甘之忧，即燕晋内外蒙古，将无息肩之日。若停军巴、古以东瘠区，兵少无以扼奔冲，兵多徒以耗军饷，……断难为持久之计”①。由于北疆作战的速战速决，使清军巩固了在新疆的战略地位，不仅解除了敌军窜犯内地的后顾之忧，更为以后进军南疆创造了有利的条件。