乾隆十二年（1747年）4月，张广泗调集3万大军，计划兵分西南两路进剿大金川，“一由川西入攻河东，一由川南入攻河西”。西路军又分四路，南路内再分三路，各路定于6月28日同时并进，期以一举告捷。清军各路均以当地臣服的各土司的土兵在前，以绿营兵随后。各路初战报捷进展顺利。但纵深入叛乱之地后，山高路险，碉卡并立，叛军恃险抵抗，清军处处被动挨打，几乎寸步难行，而且损兵折将。张广泗以兵3万尚少，要求清廷再增援。乾隆十三年（1748年）4月，清廷又命大学士讷亲前往督师，并起用已被革职的老将岳钟琪以提督衔随行，增兵督剿。讷亲位高气盛，惯于纸上谈兵，一至前线，“限三日克噶耳崖，将士有谏者，动以军法从事，三军震惧，极力攻击，多有损伤。讷自是慑服，不敢自出一令，每临战时，避于账房中，遥为指示，人争笑之，故军威日损。有3000军攻碉，遇贼数10人哄然下击，其军即鸟兽散”。讷亲初至军营即下令三日内攻克噶尔崖，结果清军大败，总兵任举，参将买国良等战死。此后，讷亲不敢再专权，军事全交张广泗办理。而张广泗对清廷派讷亲为经略来督师，已是心有不悦。见讷亲吃败仗威信全无更是看不起他，“轻讷不知兵而事权出己上，阳奉而阴忮之，诸将无所禀承，率观望不前”。清军高级将领之间互相推诿，将相斗气，军心涣散。张广泗想在讷亲面前露一手，打个漂亮仗以煞讷亲的威风。于是张广泗用良尔吉为向导，不料良尔吉是莎罗奔派遣的奸细，他暗中将军情通报给莎罗奔，莎罗奔对清一举一动都了如指掌，清兵四处奔波，四处受叛军袭击，损失严重。“故兵老气竭，株守半载，无尺寸功”。乾隆闻讯十分震怒，将张广泗斩首，赐讷亲自杀，然后又派大学士傅恒为经略。清廷平叛大金川之乱的大军人数已达4万之众，还有京师八旗禁旅在内，竟然不敌大金川的3000兵力，乾隆实难甘心，遂命傅恒为经略将军，兼四川总督，增兵再战。经过一番研究，十四年（1749年）正月，傅恒上疏乾隆，分析了清军屡战屡败的原因。说以前因为讷亲不懂用兵之道，而张广泗又被奸人所愚，用“以卡逼卡，以碉逼碉之法”，实为下策。现在与诸将商议之后，决定大兵调齐，即“同时大举，分地奋攻，而别选锐师旁探其道，裹粮直入，逾碉勿攻，绕出其后，即以围碉之兵作为护饷之兵。番众无多，外备既密，内守必虚，我兵即从捷径捣入，则守碉之番各怀内顾，人无固志，均可不攻自溃”。由于吸取了教训，傅恒也害怕再有杀头之祸，故此制定了较为切合实际的作战方法，从而得到了清政府的认可。傅恒调集清兵3．5万人，采用了岳钟琪的进军方略，兵分两路。由于清兵改变了战术，连克叛军碉卡，军队士气大振，什么道路艰险等困难自不在话下。清军旗开得胜，叛军则节节败退，然而叛军仍依据一个个高耸的山头与清军周旋。清廷在金川已用兵两年，劳师糜饷，损兵折将，杀大臣讷亲、张广泗，革大将哈元生、苳芳，用尽全力却难以平叛，乾隆不想把战争继续下去了，命傅恒撤兵，在谕旨中说：“朕思蕞尔穷番，何是当我王师？经略大学士傅恒乃中朝第一宣力大臣，顾因荒微小丑，久稽于外，即使擒渠扫穴，亦不足以偿其劳！”然而傅恒认为大金川土司的势力已消耗殆尽，平叛指日可待，仍请进兵，乾隆不许，傅恒只好作罢。当时，岳钟琪所率的清军前锋已抵达莎罗奔的老巢勒乌围，莎罗奔惊恐万状。莎罗奔父子尚不知清廷已下令撤兵回朝，当时见清军势不可挡，而打入清军中的奸细又被傅恒处死，情报失灵。眼见清军就要踏平勒乌围，莎罗奔只得放弃抵抗。他从前曾隶属于岳钟琪部下，随之一起入藏平叛，这时就向岳钟琪求情，岳钟琪当即立断，趁叛军尚不知清军已撤军的消息，亲率13骑驰入敌军营中，可谓英雄虎胆。莎罗奔见岳将军威风凛凛不减当年，急忙带着随从“稽颡膜拜，衷甲持弓矢迎”，“请奉约束，顶经立誓”。莎罗奔发誓归还侵占的土地，供傜役，献凶犯，纳军械，归兵民。朝廷采用了宽大政策，莎罗奔的叛乱活动被赦免，仍为土司。这样，清廷在决定正式撤兵之前，得以兵不血刃，平定了大金川。
再战大小金川自大金川土司莎罗奔乞降之后，四川藏民聚集地平静了10多年。大小金川两地仍由各自土司管理，土司之间相互争斗，时起战乱，问题并未彻底解决。乾隆二十五年（1760年）5月，大金川土司莎罗奔病故，由其侄郎卡承袭土司之职。郎卡野心勃勃，经常出兵骚扰侵掠邻近土司领地。四川总督阿尔泰下令劝阻，但郎卡仍“侵邻境不已”。阿尔泰多次令各土司围攻大金川，但心力不齐，无济于事。乾隆三十一年（1766年），阿尔泰奉清廷之命征调与大金川土司邻近的“九土司”之兵进行会剿。阿尔泰希图息事宁人。郎卡见大军得至，表示接受朝廷的调停，并将其女嫁给小金川土司泽旺之子僧格桑为妻，并要求清廷颁给他土司新印。阿尔泰自以为是，认为大小金川联姻将有利于战乱平息，因此同意了郎卡的一切要求。实际上，这样反而使“有夙怨，不甚联络”的大小金川土司开始“姻党联结”，互相联合起来，并且“附近18家土司推两金川为雄长”。大小金川的联合打破了这里原有的政治均势，使清廷以番制番，相互制约的政策难以执行。
1771年（乾隆三十六年），莎罗奔之孙索诺木诱杀革布什扎土司，小金川僧格桑也领兵进攻邻近的鄂克什以及明正两土司，于是战乱又起。索诺木是郎卡的第四子，在郎卡病死之后承袭了大金川土司的称号，他年轻气盛，欲继郎卡当年未竟之业，逐渐吞并周边邻近土司。小金川土司也闻风效尤，两者相互勾结，并公然与清廷所派援军对抗。清廷认为小金川较大金川为弱，又无险可守，易于攻破，所以决定先平小金川，后平大金川。三十六年（1771年）10月，乾隆宣布了出征讨伐小金川的理由：“小金川以内地土司敢作不靖，暴侮邻疆，弁髦国法，此而不声罪致讨，朝廷威令安在？况抚驭番蛮，怀畏自当并用，若于梗化之人不大加惩创，则懦弱几无以自存，而犷悍者必效尤滋甚，渐至徼内土酋跳梁化外，何以绥靖边圉？”乾隆帝决心平叛小金川，调兵1．6万余名，分三路进剿：令四川总督阿尔泰率兵7000名出南路，攻约咱；令总兵福昌率兵1700名出西路，向山神沟进攻；令提督董天弼率兵5300名为中路，攻达围。清军初战不利，南路阿尔泰兵抵打箭炉长达半年，却按兵不动，一无所获。乾隆盛怒之下将阿尔泰赐死，又撤换了作战不力的将领，命大学士温福由云南赴四川督师，以尚书桂林代阿尔泰为四川总督，再度令其率兵进讨；战局逐渐被扭转。开始时，清军连夺关隘，但小金川土司僧格桑及时得到了大金川土司索诺木的援助之后，反败为胜，屡败清兵。乾隆三十五年9月，黑垄沟一战，薛琮所率3000名官兵几乎全军覆没。温福和桂林率兵先后入川后，温福由汶川出西路，桂林仍沿阿尔泰走的路线由打箭炉出南路，两路夹攻小金川。南路副将薛琮恃勇轻进，在黑垄沟被番兵包围，由于道路艰险曲折，清军无路可走。薛琮派人向桂林求援，然桂林却按兵不动，导致了薛琮战死，全军陷没的惨败。这时，清廷又下令温福为定边将军，阿桂、丰伸额为副将军，令其攻大金川。当清军逼近小金川土司僧格桑的老巢美诺时，僧格桑携带卫兵妻妾逃往大金川，撇下其父老土司泽旺。清军把泽旺缚献京师，又传檄大金川土司索诺木交出僧格桑，索诺木拒绝。于是温福率兵进逼大金川。大金川地理位置更加险峻，从前讷亲、张广泗屡遭失败，故温福大军也受到了严峻的考验。索诺木“全力抗守，增垒设险，严密10倍于小金川”，清兵分六路进攻，但当地叛军采用以往的战术，遍筑碉卡抗拒清兵，温福明白攻碉卡得不偿失，但他又别无计策，“为人刚愎，不广谘方略”，又重蹈了张广泗的复辙，采用以碉逼碉的办法，令清军就地筑碉卡多达数1000个，结果2万士兵都分散在各个碉卡内，兵力反倒不足了，与大金川的番兵相持不下。1773年（乾隆三十八年）夏，温福屯兵于大金川之东的木果木，“日与苳提督无知辈高宴”，结果索诺木出兵切断清军的粮运，发起了疯狂的反扑。叛军猛攻清军木果木大营和各碉卡中的清军，枪声四起，叛军一涌而出，内外鼓噪，清军军心大震。叛军先夺清军炮局，枪如雨发，温福乱了方寸被飞弹击中身亡，清军见主帅阵亡，霎时四散，“师遂大溃，我兵自相践踏，终夜有声。渡铁锁桥，人相拥挤，锁崩桥断，落水死者以千计”。木果木一战，又有4000名清军官兵战死。
清廷自然不甘心就这样失败，乾隆帝重又布署了军事力量，命阿桂为定西将军，丰伸额、明亮为副将军，征调健锐营、火器营和索伦兵参加战斗，大大增强了进攻的力量。
三十八年（1773年）10月，阿桂率西路军2万余攻鄂克什、底木达、布朗郭宗等土司的叛乱地区；明亮率南路军2万余攻小金川土司的巢穴美诺；丰伸额率北路军1．5万人，由绰斯甲布前进。总督文绶坐镇四川省城，督造劈山等炮运送前线。清军人多势大，几路齐头并进，而且供给及时，转战五昼夜之后，清军抵进美诺，收复了小金川，小金川土司及叛军早已逃往大金川。阿桂主张乘胜进兵大金川，乃奏请朝廷。乾隆帝也认为四川藏民土司恃险反复抵抗朝廷，清军已经耗费了极大的兵力和财力，所以非大举深入平定不可。于是朝廷先斩了泽旺，以示平定叛乱的决心，然后令阿桂等将领扫穴犁庭，以除后患。
阿桂率大军誓师之后，决定分三路讨伐大金川。三十九年（1774年）正月初十，三路清军同时出发：阿桂一路从谷噶了口出发，攻战巴拉克；明亮一路从河北马奈出发，攻战恩底博堵木城等处；丰伸额一路由卓克采出发，攻占凯立叶。清军三路大军分别从东路、西南和西北并进，声势浩大，所向披糜。怎奈大金川地形险恶，层峦叠山，崎岖不平，加上叛军重重筑碉，层层设卡，战斗极为艰苦，清军行动十分缓慢。但由于清军士气高昂，见碉夺碉，遇卡攻卡，节节进攻，击破敌垒无数，与叛军激战数百次，直到7月份才逼近大金川土司索诺木的老巢勒乌围。
盛夏，清兵围攻勒乌围之外围屏障逊克宗垒，这一仗打了近半年之久。根据《清史演义》中的记载，勒乌围前面皆山，番兵据险扼守，第一重名博瓦山，第二重名那穆山，最是险峻。清军猛博三昼夜，方杀上博瓦山，占了第一重门户。休息两日，又进军那穆山，阿桂仍令清军分前后进攻，数日不克。只见那穆山上守兵分布得密密层层，防守甚严。几路清军会集之后，并力猛攻仍是不下，山下边最高峰有两个极为显眼的战碉，清军选出600名敢死队，乘黑夜猱升而上，趾顶相接，直至黎明时，攀上绝壁到达山顶。守卫石碉的番兵以为清军从天而降，吓得魂飞魄散。西面山峰竖起了大清旗号，顿时整个番兵人心大乱，山下的清兵再次猛攻，杀上山腰，第二重门户又破。清军攻破了番兵重兵防守的逊克尔宗官寨之后，纵火烧毁四周村落200余间，索诺木的老巢乌勒围就在清军眼前。索诺木为保自身安全，毒死小金川土司僧格桑，向清军献尸请降，阿桂拒绝，索诺木无从乞和，只有令部下极力防守，拼个鱼死网破。
时值秋末冬初，天气阴寒，雨雪霏霏。清军只好收兵。过了来年又得等到冰雪消融之后，清军才能在这险峻之地出兵讨伐。清军又转战了三四个月才到乌勒围。四十年（1775年）7月14日，阿桂军与明亮军会师围攻乌勒围官寨。乌勒围靠山临河，四角有战碉，墙垣坚固，内藏大量火药枪弹，坚不可摧。据记载，“其官寨碉坚墙厚，西临大河，迤南有转经楼，与官寨相犄角，木栅石卡，长里许，其东负山麓，有崖八层，层各立碉，各路败回之敌，咸聚守之”。清兵先攻破栅卡，清扫外围，断其犄角，又毁桥断其逃逸之路，然后集中火力，用火炮猛攻石碉。其间炮声隆隆，惊天动地，敌营一片混乱，索诺木兄弟5人表示愿意降清，但阿桂仍不允，清军继续猛攻，中秋底清军终于攻下索诺木的老巢。然而索诺木带着残兵败将已经逃到噶尔崖。阿桂统领的清军自入川讨伐叛逆以来。至此已经历了2年，途中历尽艰苦，他恨不得立刻踏平噶尔崖，1776年初（乾隆四十一年），清军包围噶尔崖，切断与周围的一切通路，叛军负隅顽抗直至弹尽粮绝。2月，索诺木走投无路，与其祖父莎罗奔及家族部众2000余人出降。乾隆帝数日后在京师御午门收受索诺木兄弟及其它叛乱头目，将罪大恶极的莎罗奔、索诺木等凌迟处死。其余叛者家属，或斩或绞，或永远监禁，或充发为奴。封阿桂为一等诚谋英勇公，丰伸额本袭公爵，加赏继勇字号，明亮封一等襄勇伯，其余将官各有封赏。
大小金川土司叛乱平定之后，清廷设成都将军专管该地文武官员，下令番民递发，信奉黄教，派兵驻屯。随后在大小金川设立懋功厅，驻同知管屯务。从此，大小金川之地名不复存在。大小金川地仅千里，兵仅万余，然官兵数万，苦征5年，耗银7000万余两，用兵之难甚于平定准、回二部，皆由于地险碉坚，气候多变之故。清军缺乏对山地、碉堡之类的作战经验，一些将领或按兵不动，或硬拼硬打，以致消耗人力、财力巨大。好在清廷及时调增了健锐营等精锐部队，发挥了冲天炮的攻坚之威，终于取得了胜利，当地从此进入了一个新时期。