1868年（同治七年）11月，左宗棠肃清陕西，便紧急做进军甘肃的各项准备，拟定“三路平回之策”，分三路向甘肃进军：
刘松山率部由绥德西进，直指金积堡，是为北路；李耀南、吴士迈率部由陇州、宝鸡趋秦州，是为南路；左宗棠和刘典率军自乾州经邠州、长武赴泾州，是为中路。其中，北路是重点进攻方向。
金积堡位于灵州西南25公里，东通花马池，南通固原，西靠黄河，面临吴忠，灵武，南面是青铜峡，西南是中卫。金积堡是一个巨型的堡寨，它的围墙有十米厚，十三米高，总长度四千五百米，面积超过一平方公里，它的周围有渠水环绕，当时的任何一种炮弹打到堡墙上都无能为力。在金积堡的东西两侧，更有五百七十多个堡寨护卫，其中不乏异常坚固的古堡。金积堡一带也是著名的黄河古灌区，所谓“天下黄河富宁夏”，稻田之间，密密的堡寨布满平原。 马化龙世代居住在金积堡。陕回十八营退入甘肃后缩编成“四大营”，由白彦虎、崔伟、禹得彦、马成彦等四人任四大元帅，全力配合马教主抵抗清军。
1869年（同治八年）秋，北路军刘松山部进抵灵州，9月8日攻占吴忠堡东面的郭家桥。中路军由固原、平凉北进，左宗棠进驻平凉，欲迂回对金积堡形成战略大包围。在南线，中路军占领预望城、黑城子、李旺堡等村堡，守卫该地区的陕西回军被迫向西撤离。甘肃回军万春部无法阻止清军前进，同心城、韦州堡一带回军大部投降清军。中路军于11月中旬进至金积堡西南秦渠一带，距金积堡仅5公里。北路军刘松山部在中路军策应下，夺取灵州城，打通了后路，从而完成了对金积堡地区的包围。
从12月起，清军在金积堡外围与回军展开惨烈的争夺战。清军采取步步为营的方针，相继攻占了吴忠堡周围和金积堡北面的堡寨。回军依托秦汉二渠，挖壕筑墙，步兵凭墙防守，骑兵主动出击，以运动战不断袭击清军。总兵简敬临率楚军突入回军阵地，被回军包围，士卒死伤惨众，简敬临等力战而死。
回军处境非常困难。金积堡东西两面的险要隘囗永宁洞和峡口均落入清军之手。峡口在堡的西面，是黄河青铜峡口，也是秦汉二渠的渠口，永宁洞是山水沟（今山水河）通过秦渠涵洞的地方，秦汉二渠在此汇合，北流至黄河。
1870年（同治九年）2月12日，驻守河西的回军从河西履水过河增援，夺回峡口，击退前来抢夺的清军。与此同时，回军在永宁洞方向也发动进攻。1870年2月9日晚，回军千余人从金积堡东南突然进至秦渠南，占领石家庄和马五寨几个村堡，抢修防御工事。石家庄扼秦渠之要。刘松山得知石家庄被占，连夜率部回援。回军退至马五寨继续抗击。2月14日，刘松山在进攻马五寨时中弹身亡。
清军进攻连连受挫，士气低落，回军乘机发动反攻。回军一部由马正纲率领由宁州、正宁进入陕西三水，马朝元也率部由金积堡出宁条梁（今陕西靖边西），在甘泉会合，东攻韩城、郃阳。与马化龙有联系的河州、狄道回军攻占渭源，直逼巩昌，使甘肃战局突变，回军开始占据有利形势。
由于回军缺乏统一的领导和指挥，各自为战，不能有效地协同配合，逐渐陷入被动局面。进入陕西的回军在清军的追堵下，被严重削弱，只得退回甘肃。马化龙在孤立无援的情况下，为保全堡内军民，先后多次请降，均遭到拒绝。回军没有集中兵力给清军以致命打击，对永宁洞水口的几次进攻也未得手，使得清军得以喘息。左宗棠调整部署，一面调兵截击入陕回民，并奏调郭宝昌部进攻花马池、定边，以打通金积堡东路粮道，一面命刘松山的侄子刘锦棠统领老湘营，重新对金积堡展开猛攻，刘锦棠一面加强对永宁洞的防守，一面在黄河两岸夹河筑垒，保护河西通道，并将灵州至吴忠堡之间堡寨逐一攻占。为实现南面围攻金积堡，左宗棠令黄鼎、雷正绾率中路军夺取峡口，并攻占金积堡西面汉渠内外20余座回军营垒，直逼金积堡西南的洪乐堡，遂再次完成对金积堡的合围。
清军从各面猛攻金积堡，回军疯狂抵抗，清军付出惨重代价，才攻下金积堡周围堡寨。清军在金积堡四周挖掘长壕两道，壕深几米，宽十几米，壕边筑墙，高达丈余，两壕即防堡内回军突围，又防堡外回军救援。清军依壕分段驻守，金运昌部驻北面，刘锦棠部驻东、南两面，雷正绾部驻西南，黄鼎部驻西面，徐文秀部驻西北，以深沟高垒锁困金积堡一年有余，围点打援，金积堡粮草不济，回军日趋崩溃。陕回各部见坚守无望，由白彦虎、崔伟等带领逃往河州、西宁。
1870年12月31日，金积堡内回军粮尽援绝，陈林率部分叛军投降黄鼎，雷正绾部。1871年(同治十年)1月6日，马化龙粮尽援绝放弃抵抗投降黄鼎部，命人将自己大绑后走出金积堡赴刘锦棠大营请罪“以我一人之死，赎万众无罪之生。” 他愿以一人抵罪，保存堡内万千军民性命。马化龙父子向清军交出各式火炮五十六门，各种枪支千余杆，并日夜写信劝降王家疃庄等各处回军。清军从金积堡地窖内搜出马化龙走私匿藏不交的1200余支俄制洋枪，刘锦棠上书朝廷。
左宗棠一直认为“新教绝而（西北）回安，关陇可保百年无事”。认为马华龙反复无常，仍是诈降。且其为哲派领袖，如若不除，必有后患。左宗棠在奏报中称马化龙其心甚大堪比李元昊，有建立类西夏分裂政权之野心。 1871年(同治十年)农历正月十三日，清廷以“私藏武器”和“勾结外国”的罪名，将马化龙与其子马耀邦凌迟处死于宁夏吴忠四旗梁子，并且把马化龙的父兄子侄八十余口以及八十多名“伪官”在内的回军大小将领一千八百余人全部处斩，全家妇孺发配为奴，一万余名回军信徒全部被强行迁徙至“苦甲天下”的固原、化平等地安插。马化龙 9岁的孙子马进成禁锢于开封、3岁的孙子马进西禁锢于西安，待年满12周岁时交“内务府照例办理（阉 割）”。
1871年的3月2日，金顺攻克王家疃庄，至此金积堡战役结束。清军将几百座庄堡全都销毁，金积堡大营化为瓦砾。
金积堡之役，清军先后投入12万兵力，与马教主指挥的陕甘回军拉锯一年有余。双方排兵布阵、火器交锋、刀枪互博、甚至决堤引水互淹对方营地。双方都损失惨重。湘军名将刘松山此役阵亡，清军“死伤山积，屡失大将”。左宗棠感慨“十余年剿发平捻，所部伤亡之多，无逾此役者。”
金积堡之战，是左宗棠平定陕甘决定性的一战，捣毁了万恶之源金积堡，诛杀了同治回乱幕后操控者马化龙，斩断了内外勾结的祸患稳定乱局，使的关陇大地得以重生。在英俄中亚大博弈的国际大背景下，为清廷争取了战略上的主动局面，为后续进疆戡乱驱除侵略者提供充分保障，为大清的洋务自强运动争得黄金发展期。
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