黑水营之围库车之战后仓皇出逃的霍集占，先逃往阿克苏，然阿克苏的维吾尔人民“闭城拒敌”，其首领鄂对伯克早就归附了清军，这时的阿克苏人已经觉悟，纷纷欢迎鄂对的返回。霍集占走投无路，又逃往乌什，乌什伯克霍集斯亦“闭城不纳”，并派人迎接清兵。这样，霍集占如同一只丧家犬般地逃归了叶尔羌，而其兄大和卓木罗尼都则返回了喀什噶，妄图各据一城，相互犄角，负隅顽抗。
清廷任命刚刚平定天山北路叛乱的兆惠为定边将军，接替雅尔哈善经略回部，率军往天山南路，乾隆告诫兆惠务必全歼顽敌，讨平叛乱。乾隆二十三年（1758年）8月，兆惠率3000兵马从天山北路向南路进发，10月6日抵达叶尔羌（今新疆莎车）。该城比库车更大更坚固，周长10余里，四面共有12门，城东北五六里处筑有高台一座，台前及近城处挖掘了大坎数道，以防敌人骑兵奔袭。坎下设有伏兵，以截击攻城之敌。兆惠吸取了清军库车之战的教训，决定把被动变为主动，不急于盲目攻城，先消灭城外之敌，占据有利地形。兆惠令左右两翼从东西两面夹击坎下伏兵，自率中军向前冲击，令副都统温布率兵夺其高台，坎下回兵放枪阻击，清军一阵猛冲猛打，回兵抵挡不住撤回城内，清军乘胜追至城下，回兵开三门各出500骑与清军激战数次，城墙上守兵则向清军射击，企图逼退清军，由于清军的顽强，敌军最后鸣金收兵，败回城内，闭门不出，不再轻易出战。
兆惠见叶尔羌城大而且守城的叛军多达万余人，兆惠仅统帅着3000兵力，双方力量悬殊，况且清军孤军深入，四野无粮。城内叛军依据优势，气焰嚣张。于是兆惠决定改变战术，将攻城各营撤回，在城东渡过黑水河，在河岸水草茂盛的树林里安营扎寨，修筑工事，坚避清野，故名驻军之处为黑水营，双方在此展开了拉据战。兆惠估计诚内叛军精骑约3000，最好是诱其出城设伏歼灭，先消灭其有生力量，于是清军一面在城南沿途各要道关卡派兵埋伏，一面派副都统爱隆阿率兵500，侍卫奎玛岱率兵300，前去截击从喀什噶尔（今新疆喀什）来的敌人援兵，同时又派出小股军队在城郊四周搜索粮食和牲畜，坚避清野，既解决了清军的供给又封锁了敌人的出城之路，可谓是万无一失。可是这样一来，黑水营的清军只有2000余人了，兵力分散，使叛军钻了空子。
兆惠从叛军俘虏口中得知，叶尔羌城南有一个大牧场，霍集占有大批驼马等牧群就放养在牧场内的英峨奇盘山，兆惠欲夺驼马充作军用，就亲率官兵千余名离开黑水营，于10月13日抵达通古斯鲁克地方，欲渡河后由东而南袭击英峨奇盘山。殊料清兵500余名刚刚过河，河桥突然断落，清军又被河水截为两部。原来桥下设有叛军的伏兵，他们用铙钩将木桥钩断，并和从城内涌出的5000骑兵一起前后夹击刚刚渡河只有不足500名的清军骑兵，叛军的大部队数万人也从城内不断涌来，大有一口吞并兆惠几百名骑兵之势。兆惠军兵少且被围困，尚未过河的另外几百名清军又难以相援助。兆惠临危不惧，立即令副都统由屯率左翼，温布率右翼，自率中军，三军齐声呐喊，冲入敌阵。敌骑被击退后，又从两翼绕到清军背后，企图前后夹击清军，霎时间，500清兵被成千上万的叛军团团包围，情况万分危急，兆惠急令清军“且战且退，浮水还营”。清兵此时已经陷入重围，只得各自为战，有的被杀，有的则弃马凫水而逃。清军官兵虽然异常勇猛，杀敌数千，但毕竟寡不敌众，总兵高天喜，侍卫鄂实、特通额、副都统三格等百名将士阵亡，伤者数百。兆惠本人左右冲杀，战马负伤，两易坐骑，方突出重围回营。回兵乘胜搭桥东来，后面万名大军步步紧逼，把清军的黑水营围得水泄不通。清军被动挨打，但却士气可嘉，他们“兵处危地，皆死中求生，故杀贼甚力”，无不以一当十。马力疲乏，不能突围，清兵就筑垒固守，不断加固防线。回兵则在黑水营外筑起长围，从四面攻打清军大营，枪炮如雨，杀声震天，然而营内清军却坚如磐石，岿然不动。清军的黑水营由于位置选择得较为合理，才能与人数众多的回兵相抗衡。敌兵从上游决水灌营，清兵就在营内和周围挖沟排水，掘井取水，用之不尽。军中缺粮，清兵就在夜间潜营外，掠敌驼马满载而归，而且清兵又挖地道获得敌兵的存粮数百石，可供军中士兵数月食用。清军驻扎林中，水草茂盛，采薪不愁，回兵向营中射来的铅弹和箭头，多掉在草丛里或射在树枝上，故清兵每砍一树，既可供薪，又可获铅弹数枚，再用来回击敌兵。由于没有粮草及弹药缺乏的后顾之忧，清军人数虽少但却士气高昂，坚守大营，越战越勇。敌人“以苇扫蔽体来犯，即用火焚烧，又掘沟伏身前进，即乘高击退”。敌军虽日夜猛攻，但却久攻不下，黑水营依然耸立在黑水河畔。敌人无计可施，也模仿清军“亦掘濠立寨相持”，企图长期围困清军，待其弹尽粮绝时一举歼灭。敌在黑水营边立高台，四面有护身垛口，既可监视清军动静，又可随时乘高俯射，威胁较大，兆惠亦领清军立高台与之相对，自10月22日至11月10日，不断派兵攻其高台，迫使敌军不敢轻易登台。同时，兆惠派出5人分路向阿克苏告急，催援军相助，大和卓木波罗尼都也亲率步骑5000从喀什噶尔赶来，与小和卓木霍集占会师围攻清军。清军“掘壕结寨”，“筑长围以相持”，同1万多名叛军坚持了长期的苦斗。这就是有名的黑水营之围，叛军施用炮轰、水淹、偷袭火攻等办法，而清军机动灵活，勇敢迎战，粉碎了敌兵的一次次攻击。双方相持3个月之后，黑水营仍岿然不动。兆惠足智多谋，在一个深夜派兵纵火袭击大小和卓木的两处军营。这时回兵里盛传布鲁特人已抢劫了英吉沙尔城，波罗尼都深感忧虑，怀疑兆惠已与布鲁特有盟约，其袭击自己后方同时借机破围。大小和卓木决定用缓兵之计与兆惠议和。却不料兆惠态度强硬，扣住回兵使者，用箭射书出营，告诫大小和卓木说，议和的先决条件是他们2人必须入京觐见大清皇帝。大小和卓木见兆惠态度如此强硬，以为他必有援军将至，不敢与兆惠再继续作对，甚至提出愿意向兆惠军中资助粮饷，并撤去长围。兆惠仍坚持原则，波罗尼都无可奈何，又担心英吉沙尔城的安危，于是不顾霍集占的反对，率兵返回喀什噶尔。
黑水之战刚开始时，靖逆将军纳木扎勒、参赞大臣三泰率兵200骑急赴兆惠大营援助。不料途中遭3000敌军突袭，一夜激战清军几乎全部阵亡。10月下旬，兆惠的两封告急文书先后送到阿克苏，清廷闻讯一面下令嘉奖有功官员、晋封兆惠为武毅谋勇一等公，一面命富德为定边右副将军，即刻调兵赴援。富德于11月10日得知兆惠军被围黑水河畔之后，立即令付都统鄂博什率兵500为前锋，自己亲率大兵4000人随后前往。富德军中途与从阿克苏出发的舒赫德的3500名大军东合于巴尔楚克（今新疆巴楚东南），时值12月下旬，西路清军冒着严寒前往赴援。乾隆二十四年（1759年）正月，清军在呼尔满与叛军大小和卓木率领的5000骑兵相遇，双方激战数10次，杀伤相当，波罗尼都受伤后退回喀什噶尔，清军也损失了较多的马匹。然后在沙漠地带，清军又遭叛军拦截，敌军抢占有利地形，清军则奋力冲杀，边战边走。此地距叶尔羌尚有300多里，富德心急如焚，然而叛军越来越多，清军一时难于脱身，与叛军激战了四昼夜。清军长途跋涉，结队而行，以火器弓箭射敌，战斗异常激烈。但因连日交战，清军人乏马困，而且叛军见清军战马损失严重，三番五次用骑兵冲击清军，并从四面合围，令清兵寸步难行，清兵粮饷告急，又少战马难以突围，人马饥渴难忍，一些官兵只得吃地上的碎冰片；勉强抵达沁达尔时，被叛军包围，清军人马疲惫不堪，无力突围，形势危急。突然又杀出一队人马，自东而至，回兵纷纷倒退。原来是巴里坤大臣阿里衮奉命率兵600、解马2000、驼1000，与爱隆阿率领的1000兵马同时赶到了沁达尔附近。富德喜出望外，乘势杀出重围，阿里衮与爱隆阿便将部队横张两翼，直扑敌阵，里应外合。回兵在夜里不辩虚实，加上清军声势雄壮，喊杀声不断，霍集占不敢恋战，忙下令撤退。回兵军心动摇，不战自溃。清军三路合而为一后又追杀回兵，大败敌军，次日凌晨才收兵回营，至此，三路清军沿途共杀敌千余名，伤敌数千，自己仅伤亡首余名，生俘50余名。清军士气大振，日夜兼程，同趋叶尔羌。正月十四日晨，援军先后赶到黑水河附近。黑水营内兆惠及清军将官对援军望眼欲穿，此时遥听营炮声大响，料知援军已到，兆惠及全军将士们欢喜若狂，集中兵力向外突围。营外清军则早已作了战略布置，以富德、舒赫德军为左翼，阿里衮、爱隆阿军为右翼，与营内兆惠配合默契，内外夹击，回兵则拼命抵抗，战斗异常激烈。几经激战之后，兆惠军终于冲破敌人的重围，几路大军联合杀死回兵数千名，霍集占见势不妙率残部渡河退守叶尔羌。清军会师，北上阿克苏休整过冬，并征集粮草兵马，以备再战。长达三个月之久的黑水营保卫战以清军的胜利而告结束。这次战斗的胜利得来不易，充分反映了清军将领兆惠的优秀指挥水平和全军将士团结一心、不畏强敌、誓死如归的英勇气概。
平定叛乱剿灭残敌兆惠率大军回到阿拉苏之后，立即派兵解了和阗城（即今新疆和田）之围，又先后收复了齐尔拉（今新疆策勒）、克勒底雅（新疆于田）、哈拉哈什（今新疆墨玉）等城。兆惠决定就地解决军队供给问题，用内地的布匹与当地的回民交换粮草，再用节省下来的运粮费近30万两银子购买驼马，结果兆惠迅速调集了2万兵力，战马3万匹，骆驼1万匹，然后兵，分两路，每路各有兵力1.5万，兆惠一路由乌什攻喀什噶尔，击大和卓木；富德由和阗攻叶尔羌，击小和卓木。时值乾隆二十四年春夏之交。
大小和卓木闻听清军将大举进攻，惶惶不可终日。4月份他们开始掠夺回民的粮食和骆马，并组织迁移家属和财产，打算毁城后西奔霍罕（今苏联浩罕）或巴达克山（位于今阿富汗境内）。由于叛乱不得人心，绝大多数回民见清军军纪严肃，决心留在城内迎接清军，大小和卓木无可奈何，只得分别带着少数宠臣和部队弃城逃跑，逾葱岭西遁。
富德率军在向叶尔羌挺进的途中，闻听小和卓木已狼狈逃窜到英吉沙尔，而该城大小伯克却甘心归附清廷，于是立刻遣鄂博什等率500骑为先头部队，迅速前往叶尔羌，富德大军几天后也兵临叶尔羌城下，回民打开城门，欢迎清军入城。
兆惠一路从阿克苏出发后，路途畅通无阻，抵达喀什噶尔时同样受到回民的热情欢迎。大小和卓木汇合后，逃往色勒古勒方向。参赞大臣明瑞率精兵2000，每兵2马，从近路急迫，终于在霍斯库鲁克岭追上敌军。霍集占将6000多回兵列阵于山头，居高临下迎战。清军勇猛冲击，由山下往上猛冲。霍集占边战边退，唯恐清军大队人马追来难以脱身，逃向巴达克山方向。明瑞边率军追击，边派人通知兆惠和富德的两路军队。