在军需物资的供给方面，左宗棠也作了妥善安排。他在上海设立采办转运局，依靠胡雪岩购运枪炮、弹药，筹借外债；在汉口设后路粮台，转运上海军需；在西安又设一个总粮台和一个军需局。1870年创设的兰州制造局和1875年建立的兰州火药局，就近为他供应军火。
筹粮、筹运难，筹饷更难。清政府的财政已是艰难竭蹶，要打仗却拿不出钱。左宗棠一年的军费支出约需银800多万两，实际只能收到500多万两。
为摆脱窘境，他上书朝廷请求举借外债以充军费。在胡雪岩的斡旋下，1877年终于从英国汇丰银行借到500万两，分7年偿还，以广州、福州、上海和汉口的海关收入作抵押。另外，清政府从户部的海关税中拨出200万两，并命各省限期3个月尽先解银300万两，才解决了军费的难题。
除了以上的准备工作，左宗棠还通过整顿、集训、改善武器装备来提高部队的战斗力，为出征新疆作好了充足的准备。为保卫新疆战争的胜利打下了基础。
经过近一年的积极备战，左宗棠于光绪二年二月二十一日（1876年3月16日）离开兰州西进，三月十三日（4月7日）抵达肃州（今酒泉市），就近指挥收复新疆的战略决战。
为了收复新疆，清军在西北地区集结了一百四五十个营，总兵力约7万人，先后投入第一线的计80多个营，近4万人。1876年夏季，左宗棠拉开了驱逐侵略者、收复新疆的战斗帷幕。
运筹帷幄收北疆
左宗棠在战前对敌情作了认真细致的调查研究。他分析了敌我双方的战略形势，向所部将领指出：新疆幅员辽阔，城市之间的距离三百、五百以至相距千里之遥。“千里馈粮，士有饥色。”因此，他制订了“缓进急战”的战略方针，即一个战役到另一个战役之间，要有充分的时间作准备，如将粮料弹药运储前沿阵地；千里跋涉，部队也须休整，所以大军前进要“缓”。一旦部队前进发动战斗，则前进要快，应以优势兵力迅速结束战斗，避免屯兵坚城。
左宗棠规复新疆的第一个战略目标是进取北路乌鲁木齐、玛纳斯二城，重点是攻克乌鲁木齐。
新疆北路被阿古柏匪帮侵占后，原陕西回军的首领白彦虎从甘肃逃至新疆投入阿古柏的怀抱，成为民族败类。阿古柏盘踞南疆，在北疆则委派所谓的乌鲁木齐阿奇木伯克马人联合白彦虎代行其统治，据有乌鲁木齐和玛纳斯等城，其主要兵力集中于乌鲁木齐东北面的古牧地。
他以刘锦棠部25营作为进攻乌鲁木齐的主力，由金顺拨军协同作战，以张曜等部严守哈密至奇台一线，巩固后方。指示刘锦棠打仗须从要害入手，先取古牧地、红庙，则乌鲁木齐犹如囊中之物。
1876年8月12日，清军逼近古牧地，分扎城东及东北。次日清晨，阿古柏派往北疆的数千骑兵从红庙来援，古牧地守敌则已在城东及东北山地筑垒，加强了外围防御。据此，刘锦棠决定先扫外围，而后再攻坚城。他当即命余虎恩、黄万鹏等率骑兵奔赴山前监视敌人；命步兵分别攻取山垒和南关；命炮兵筑造临时炮台，配合步兵轰击据守山垒和南关之敌。
战斗打响后，清军步骑兵在炮兵配合下，勇猛冲入敌阵，很快占领了山垒和南关，扫清了古牧地外围据点。守敌退入城中，阿古柏派来增援的骑兵则向南逃窜。
刘锦棠与金顺策马巡视古牧地，知敌守备甚严，必须强攻，遂令各营四面包围敌人。8月15日，炮台全部竣工，刘锦棠令谭拔萃率千总庄伟等用开花大炮轰塌东北面城墙，并对准缺口连续轰击。
8月17日黎明，炮兵轰开南门，后续部队迅速挖土填沟，涌入城中，与敌展开巷战。这时，金顺部亦从城东北入城，两军正好呼应。守敌大部被歼，少数由缺口逃出者，亦被伏击。守城头目王治、金中万及阿古柏部将多人被击毙。
清军攻克古牧地后，缴获了王治、金中万给乌鲁木齐的求救信一封，信上说：“乌城精壮已悉数遣来，现在三城（指乌鲁木齐、迪化州城及妥明所筑之伪王城）防守乏人，南疆之兵（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。”
刘锦棠得此重要情报后，当机立断，决定抓住时机乘虚蹈隙，除留下两营扼守古牧地外，率领大军于8月18日黎明急速向乌鲁木齐挺进，途中不战而下七道湾堡。
行至距乌城十里处，侦骑探报乌鲁木齐守敌正纷纷向南逃窜。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急进。
白彦虎带领残部向南疆逃窜。刘锦棠乘势于八月二十九日（10月16日）直捣乌鲁木齐。阿古柏所遣援军5000骑行至达坂城时，闻乌城已失，遂止。这样，被左宗棠视为新疆关键的乌鲁木齐回到了祖国的怀抱。刘锦棠、金顺会同署伊犁将军荣全派兵于九月二十一日（11月6日）又乘势克复玛纳斯城。阿古柏匪帮在北疆的势力被全部驱除。
决胜千里收南疆
左宗棠在乌鲁木齐克复后，即筹划进军南疆的第二步战略计划。他一面拟商金顺布置各城堡要隘和善后事宜，一面“咨调张曜、徐占彪会同刘锦棠进规南路”。他认为：“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。”
在认真分析了南疆的局势后，左宗棠指出：“安集延酋帕夏已派贼骑五千，合乌垣、红庙逸去之贼，踞乌垣南二百余里之达坂城即噶逊营，以拒官军。帕夏自踞托克逊，筑三城为犄角，与其悍党守之。”白彦虎窜入托克逊，阿古柏“待之甚倨，并勒其随行贼众剃发易服，傍三城以居”。“察度南路贼势，守吐鲁番者拒哈密官军，守达坂者拒乌垣官军，皆所以护托克逊坚巢也。而达坂、托克逊，尤悍贼麇（qún）聚之区，贼骑皆多至数千，守御甚固。”因此，集中兵力击破吐鲁番、达坂、托克逊这三城所形成的犄角防线，才能进兵南疆，痛歼阿古柏的主力，这样才能为收复喀什噶尔、英吉沙尔、叶尔羌（今莎车县）、和田、阿克苏、乌什、库车、喀喇沙尔等“南八城”打开通道。
左宗棠认为，“缓进急战”的战略战术是规复南疆行之有效的策略。这是他在对南疆的敌情进行分析研究之后得出的结论。他告诫刘锦棠在北路肃清，“屡胜之后，尤宜慎宜加慎，勉力图维，断不可掉以轻心，致贻后悔”。他不同意刘锦棠提出的在克复乌鲁木齐后急于进攻南路的建议，指出：“所议会师进规南路八条，可采者多，已分别咨行照办矣。唯用兵之道宜先布置后路，后路毫无罅隙可寻，则转运常通，军情自固。然后长驱大进，后顾别无牵掣，可保万全。”左宗棠决定第二年春季进兵南疆，同时强调“目前应办之事必应迅速办理”。他命令刘锦棠、张曜、徐占彪等部抓紧进行军队休整和军需补给工作，并奏请调派驻山西包头的“卓胜军”记名提督金运昌率所部至乌鲁木齐，以替出刘锦棠部南下。
西征军南进的时机终于成熟了，这时，已经是光绪三年（1877年）春了。此时，金顺已被清廷任命为伊犁将军，驻守玛纳斯以西，负责北疆西部地区的防守，并监视伊犁俄军的动向。金运昌所率“卓胜军”抵达乌鲁木齐，与刘锦棠部湘军换防。三月初一日（4月14日），刘锦棠亲率马步各营及炮队由乌鲁木齐逾岭而南，进军达坂城，开始了规复南疆的战斗。与此同时，张曜和徐占彪分别从哈密和巴里坤西进吐鲁番。这样，西征军对达坂、吐番鲁、托克逊一带的阿古柏匪帮主力形成了从东面和北面的攻击态势。
清军攻取乌鲁木齐和即将进攻南疆的局势，让阿古柏感到极为惶恐不安。于是，他试图通过英国主子说服清政府让其在南疆“立国”。光绪二年（1876年），处理“马嘉理案”的英国驻华公使威妥玛利用与李鸿章谈判之机，要求李鸿章转告总理衙门，称英国可以代阿古柏乞降“立国”。左宗棠得到总理衙门的函告。左宗棠认为阿古柏“窃踞南八城及吐鲁番”，且勾结白彦虎盘踞乌鲁木齐等地，“中外共知”。威妥玛代其请降，又称阿古柏为“喀王”，“请为属国”，竟“敢以此妄渎尊严”，实属可恶。左宗棠断然拒绝了威妥玛的“说情”，揭露了其真实用意，即“英人代为请降，非为安集延，乃图保其印度腴疆耳，俄英共争印度数十年矣”。左宗棠表示向南疆进军的信心和决心是不容动摇的。他致函总理衙门大臣说：“南路贼势重在达坂即噶逊营、吐鲁番、托克逊三处，官军南下，必有数大恶仗，三处得手，则破竹之势可成。”阿古柏企望英国向清政府施加压力的图谋未能得逞，便想依恃天山之险布重兵于达坂、吐鲁番、托克逊以继续顽抗。由乌鲁木齐进入南疆的必经通道即是达坂。从达坂至东南方向的吐鲁番有200里，至西南方向的托克逊为百余里。因此，阿古柏在达坂重点设防，委派爱伊德尔呼里防守于此。吐鲁番旧有满、汉两城，白彦虎受阿古柏委派据守此地。托克逊为阿古柏侵入新疆后长期经营的老巢，其主力盘踞于这里，阿古柏看到清军来势勇猛，便离托克逊到距此700里的喀喇沙尔遥控战局，并令其次子海古拉守御该城。阿古柏自以为“设险重叠，有恃无恐”，却不料在刘锦棠等部“取急风迅雷之势”的打击下，达坂、托克逊、吐鲁番三城在仅仅11天之内就全部被西征大军攻克。
三月初三日（4月16日），刘锦棠率部抵达柴窝铺，留营驻扎。当天夜晚，刘锦棠调派兵力“乘贼不觉，径趋达坂”，“立合锁围，杜贼窜逸”，向达坂发起进攻。第二天，刘锦棠亲率大军“环列圆阵，匀布整齐”，敌军“擎洋枪指击，并发开花大炮”。“我军伤亡十余人，屹立如故。”刘锦棠在自己的坐骑中弹立毙的情况下，又“易马而前”，饬各营奋勇攻城。经数日激战，刘锦棠率军于三月初七日攻克达坂城。接着，刘锦棠率各营于十一日“潜师夜起”，至十二日抵白杨河。刘锦棠分兵二路，一路由道员罗长祜（hù）等带领驰往吐鲁番会同张曜等部主攻此地，一路则由刘锦棠率领“由西南进，直捣托克逊城”。经一夜激战，托克逊被刘锦棠部于十三日晨攻克。