西路军占领古浪大靖后，接到毛泽东、周恩来来电，征求西路军行动意见：“（1）你们依据敌我情况有单独西进、接近新疆、取得接济的把握否？（2）如果返河东有何困难情形？（3）你们能否解决冬衣问题？”见《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第347～398页。西路军军政委员会开会讨论了毛、周的电报和西路军的行动问题，一致认为西路军单独西进有把握，能取得苏联援助的武器装备。因此，徐向前、陈昌浩于11月12日致电中共中央和红军总部：“依据现在敌我力量估计，我们可以单独行动，完成任务。”具体计划是：第一步，以主力迅速进到凉州、永昌地区，以一部控制土门、古浪，迟滞南敌，使部队能够略作休整补充；第二步，进占甘州、肃州，并准备接通新蒙和远方。“现决（定）在甘、凉、肃、永、民民：指民勤县。创立根据地，不到万不得已时，不放弃凉、永。”见《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第400～401页。11月14日，朱德、张国焘致电徐向前、陈昌浩并报毛泽东、周恩来，电文说：“（追击西路军）之敌并不多，守甘、凉、肃之兵力亦不充足，最利于你们各个击破敌人。夺得甘、凉、肃根据地和打通远方的任务，你们是可能独立完成的。”见《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第407页。
于是，西路军总部于11月17日率领红三十军和红五军，继续向西进军，占领永、凉等地。红西路军西进后，马步芳、马步青部也随之西移凉州地区。与此同时，蒋介石为支援“二马”部队对红军作战，即命令中央军第三十七军毛炳文部开始西渡黄河，拟向凉州进援。为了战胜敌人，西路军军政委员会于11月23日发出《告指战员书》，号召全体指战员“艰苦奋斗，克服困难，坚决战胜敌人”，“为在甘北创造抗日根据地而斗争”。西路军西进凉、永地区后，先后同马家军进行了十多次战斗。
（1）武威西四十里堡战斗。11月17日，红三十军进占武威西四十里堡（今武威市永丰镇）和丰乐堡（今武威市丰乐镇）。西四十里堡和丰乐堡距永昌县城约有百里，是武威通往永昌、张掖的必经之路。该军第八十八师和第八十九师一个团进驻这里后，即构筑工事，准备迎敌。
11月22日，马元海率骑五师韩起禄旅、祁明山旅、一百师二九八旅刘呈德步兵团及部分民团，向驻守四十里堡之红三十军部队发起猛攻。红三十军在李先念政委的指挥下，坚守堡寨，英勇抗击，激战一天，予敌以较大杀伤，敌尸枕藉。第八十八师二六八团在堡东截获敌汽车两辆，缴获所载弹药、食品等物资。入夜，第二六五团偷袭敌祁明山旅，打死打伤敌军甚多，缴获战马百余匹。次日，敌马元海调集五个团的兵力及一批民团，继续猛攻红军在高家磨房、陈家烧坊、历家寨、南北魏家庄等处的阵地，红军坚守阵地，给敌以重大杀伤。在战斗中，红军曾出击韩起禄旅部所在地高寺坡和敌军另一驻地戚家仓院，未克，退守沈家庄。
11月24日，红三十军第八十八师继续同敌军激战。敌以三个团的兵力轮番攻击红军，陷红军阵地两层，红军用大刀将敌杀退。下午，敌马如林团和刘呈德团在民团配合下向沈家庄红军发起进攻，红军顽强抗击，再次给敌军较大杀伤。敌军攻击受挫，马元海重新调集兵力，向沈家庄进攻，红军在野外与敌展开白刃战，终于将敌击退，与此同时，红军同敌军还在丰乐堡发生了激烈战斗。
三天激战，红军共毙伤敌人2400余人，其中用大刀砍死者即达700人以上；红三十军亦付出伤亡500余人的代价，红二六三团一个连全部拼死在战场上。24日晚，红三十军部队撤至永昌东部之七坝、八坝一带，进行防御。
（2）永昌东部地区战斗。11月25日，马元海率骑五师祁明山旅、韩起禄旅、马禄旅，第一〇〇师刘呈德团、马步銮团及青海大批民团，在飞机、大炮配合下，向防守在八坝、七坝一线的红三十军八十八师阵地发起猛烈进攻。红军指战员凭借围寨奋力抗击，并派小部队到寨外出击，有些地段红军与敌展开肉搏拼杀。红军与敌激战两日一夜，敌军遗尸800余具。但红军弹药消耗很大，所据之程家南庄、王家庄、陈家庄等十余处围寨、村庄，大部被敌炮火摧毁；柴家庄、程家东沟等数十处村寨，也遭敌机轰炸和炮火轰击，百余名红军指战员伤亡。11月27日，红军调整战斗部署，八十八师主力西调，防守永昌县城。
红九军进入永昌东部地区后，奉西路军总部命令，防守东二十里铺（即东寨）至东十里铺一带。不久，敌军尾随而来，并以骑兵穿插于红军驻地村庄间隙，迂回袭扰。11月29日，敌总指挥马元海即分遣部队，开始攻击东二十里铺红军。12月2日，敌韩起禄旅、祁明山旅向永昌东十里铺的红九军阵地进攻，被红军击退。次日，敌刘呈德团向东十里铺之晚阳墩、杨家天桥、桥头堡、新庙、沈家庄等红军防地逼进，争夺十里铺制高点。敌军从东、北两面拼命进攻，红九军奋力抵抗，接连打退敌军八次进攻，毙伤敌300余人。战至下午，终因众寡悬殊，晚阳墩、桥头堡等据点被敌攻占，红九军损失140余人。此后，这一带战斗时断时续，沈家庄、王家前庄、王家后庄、苟家西庄、郭家庄等十余处村庄，均发生激烈战斗。
12月5日晨，西路军总部前进剧团从永昌城出发，前往红九军军部驻地东二十里铺慰问演出，上午8时许与西进之敌马步銮骑兵团遭遇，被敌包围在东寨郭家下磨的一个屯庄里。剧团全体人员凭借围寨固守，经一天英勇抗击，团长周汝功、政委易维精、导演任弼煌、党支部书记廖赤健（女）等十余名干部和保卫人员壮烈牺牲。战至傍晚，因弹药消耗殆尽，敌军用汽油、柴火烧开寨门，男女演员人员50余人，均被敌俘获。
12月16日，敌人向东二十里铺至东十里铺一线的红九军阵地发动大规模进攻，红九军指战员凭借围寨顽强抵抗。敌军用迫击炮向围寨轰击，继以步骑兵轮番冲击。后来，红军实施突围，冲出的一部红军遭敌截击，与敌短兵相接，肉搏厮杀。突出重围的另一部红军，迂回到杨家大桥以南，与敌军在十多里长的宽大正面上拼搏厮杀，冲来打去，战斗异常激烈。下午，红三十军一部从永昌县城赶来增援，途中遭敌骑阻击，战斗一直持续到深夜。经过一昼夜的殊死搏斗，红军终于将敌击溃，毙伤敌400余人。红九军在永昌东十里堡至二十里铺一线村庄，与敌浴血奋战20余日，军政治部组织部长余趾林、敌工部长姜焕绚及二十七师师长刘理运、该师所属第八十一团团长肖永继以下500余人壮烈牺牲。红九军继古浪战斗受损后，又一次遭受重大损失。
（3）永昌西部地区战斗。11月23日，红五军一部向山丹进军途中，曾进占永昌西部水泉子一带之秦家庄、陈家庄、孙家庄。这时，敌军骑兵一部突然赶至，乘红五军立足未稳之机，展开攻击。红五军部队奋起抗击，同敌骑进行多次战斗，始将敌军击退。在这次抗击敌骑突袭中，军参谋长李屏仁负重伤，腿被打坏，后牺牲在祁连山中。
11月25日，红五军西进山丹，红九军第二十五师移驻永昌以西之水磨关、红庙墩至水泉子一线。11月27日，敌总指挥马元海企图切断永昌与山丹红军之间的联系，便催动兵马，进攻水磨关、红庙墩等地红军驻守的村庄，敌马禄旅、马步銮团及大批民团分片攻击红军，马步銮骑兵团尤为猖獗，一时间，这一带地区尘土飞扬，人喊马叫，枪炮声响成一片。敌军猛攻终日，均被红军击退。是夜，马元海重新组织人马，发动夜战，受到红军有力抵抗，仍未获得战果。次日，红三十军八十九师赶来支援，才将敌军打退。
此后，敌军多次向水磨关、梅家寺、王信堡、沿沟滩、红庙墩一带的红军阵地发起攻击，红二十五师所部固守堡寨庄院，与敌激战，先后毙伤敌600余人。12月20日，敌炮兵营向红军驻守的水磨关及附近之王家东庄、王家新庄、何家下庄等地实施火力急袭，然后步骑兵配合，反复冲击。红军奋力抗击，激战一天，又将敌击退。
（4）永昌县城及附近地区战斗。11月18日，红三十军八十九师及骑兵师进占永昌县城，守敌骑五师一个连已先期退逃。21日，西路军总部机关、供给部、妇女团、兵工厂等，进驻永昌县城。自26日开始，敌军一部开始进攻永昌县城红军。27日，红八十八师主力增防该县城。敌军在永昌东西两翼重创红军后，便集中兵力围攻永昌县城，战斗主要在县城外围进行。12月上旬，敌总指挥马元海调集主力一部和七个民团，进攻永昌县城，驻守县城的红三十军部队及总部直属机关、部队英勇还击，击退敌军进攻，击落敌机一架。马元海见攻城困难，便一面严密封锁城外交通，断红军粮源；一面派出步骑兵抢占城郊水磨坊，为红军磨面的30多盘水磨全被破坏，堆放在水磨坊的粮食全被抢走。此后不久，县城内红军的吃粮即出现极大困难，只得煮食麦豆充饥。
接着，敌刘呈德步兵团向红军据守的北海子一带阵地冲击，企图将城北的校场山高地夺去。坚守高地的红三十军八十八师二六三团指战员，依托既设阵地，顽强抗击，激战一天，将敌击退。此后，敌复集中兵力，向校场山、东水泉高地进攻，二六三团奋力抗击，但因弹药缺乏，部队伤亡很大，无力继续坚守，遂放弃阵地，撤出战斗。敌军占领校场山高地后，立即在山上设置炮兵阵地，集中山炮、迫击炮向县城轰击，并以飞机进行轰炸。西路军总部所在的天主堂及东街，多次受到敌机轰炸和炮火袭击。
永昌县城东门外的邬家油房及财神楼，是红军的两个重要据点，敌总指挥马元海为实现其攻城计划，于12月17日派马步銮骑兵团一部，向这里发起猛烈攻击，红三十军指战员英勇反击，敌军难以接近目标，慌忙撤退。当晚10时许，敌刘呈德步兵团又在猛烈火力掩护下，以多路散兵队形向据点逼进，迫使红军放弃阵地，退入城内。至此，永昌城外围据点，均被敌军占领。
敌占外围据点后，便集中兵力攻击县城。担任守城任务的红三十军和直属队的指战员，日夜加修工事，严阵以待。12月18日，敌总指挥马元海召集营以上军官开会，命令各部加紧攻城。次日，南城、北城、西城均发生激烈战斗。12月21日拂晓，敌军集中一万余人猛烈攻击县城。守城的红军各部队分段防守城垣，当敌军接近时，机枪、步枪一齐开火，手榴弹、石块齐下，将敌人一批批打倒在城壕边、城墙下。敌连续进攻十余次，均告失败，被红军打死打伤600多人。
（5）山丹战斗。11月21日，西路军总部骑兵师和红八十九师第二六七团、二六九团，在程世才率领下进占山丹县城，守城敌军及民团、保安队经不住红军打击，仓皇败逃。23日和25日，红五军分两批进驻山丹县城，妇女团、总供给部、总医院各一部，也进入该城，骑兵师和八十九师部队回防永昌。红五军积极开展群众工作，很快在城内建立了街市苏维埃政权，不久，又成立了山丹县苏维埃政府，建立“抗日义勇军”，“扩红”100多人。红五军指战员积极备战，准备迎击敌军的进攻。不几天，敌马彪、马朴率领步骑兵三个旅和反动民团两团，进抵山丹城郊。
敌军到山丹不久，董振堂军长就命第十三师政委谢良率两个团，向进驻城西十里堡的敌军进行夜袭，歼敌一部。11月30日，敌以二旅之众围攻山丹县城，红五军依托城垣，英勇抗击。激烈的战斗进行了三天两夜，红五军打退敌人的多次进攻，巩固了山丹城外围的阵地。12月3日，敌马彪、马朴率骑兵三团、民团三团，在飞机、大炮配合下进攻山丹县城，红军据城固守。下午4时许，红五军以主力第三十七团和第三十九团向敌薄弱环节——城东北的民团出击，一举将敌击溃；但在追击民团时，出击过远，驱敌至长城以外的暗门滩，复遭敌军骑兵逆袭，伤亡三四百人，第十三师师长兼三十七团团长李连祥牺牲。
红五军在山丹与敌战斗月余，打得十分顽强，先后在县城东门、大佛寺、南关及红沟、野猫山、城西十里堡、二十里堡等地，与敌军发生激战，予敌以较大杀伤。暗门滩战斗后，红五军即据城固守；马敌无法接近城垣，也改以游击活动困扰红军。
从11月中旬到12月下旬，西路军在武威西十里铺至山丹一线奋战月余，消灭了大量敌人，但敌人能够源源不断的补充兵员和武器弹药，实力能得到及时恢复；而西路军则由西进时的21800余人减至15000余人，红九军受到重创，其他部队也受到不同程度的损伤，战斗力大为削弱。
（五）在临泽、高台、张掖等地的作战
12月12日，爱国将领张学良、杨虎城发动西安事变。西安事变后，国民党内的亲日派首领何应钦，组织“讨伐军”，企图进攻西安，消灭张、杨部队。中共中央为促成西安事变的和平解决。决定调西路军东返，以策应张、杨部队，抗击亲日派的进攻。但西路军还未及行动，西安事变已和平解决。军委主席团于12月27日电告西路军：“西安事变和平解决，前途甚佳，西路军仍执行西进任务，占领甘、肃二州，一部占领安西。”见《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第512页。于是，西路军又动员部队西进。12月28日，西路军突破重围，撤离永昌、山丹地区，顶风冒雪，继续西进，马家军集中步骑兵七个旅，对西路军实施追击和堵截。西路军广大指战员克服冰雪严寒、缺少粮弹等巨大困难，且战且行，向甘州以西前进。
（1）西路军进占临泽、高台等地。12月30日，西路军先头部队红五军攻占临泽县城（今蓼泉镇）。之后，军政委黄超带领第三十七团、四十三团驻守临泽；军长董振堂、政治部主任杨克明率三十九团、四十五团和军直特务团（四个连）、骑兵团（两个连）共计2800余人，西攻高台。董军长率部星夜西进，1937年元月1日凌晨行至高台城东郊，与马敌一〇〇师二九八旅的骑兵分队遭遇。红五军骑兵团团长吕仁礼奉命率部出击，在特务团配合下，激战一个多小时，歼敌两个连，缴获一批战马和武器弹药。元月1日早晨，红五军攻占高台县城，国民党保安队和民团共1400余人全部投降，并接受红军改编，红五军缴获长短枪100余支及大批粮食、物资。
1月4日，西路军总指挥部率红九军进抵甘州西南25公里之甘峻堡，红三十军到达甘州以南20公里之龙首堡。此后不久，西路军总部即率红三十军进驻临泽南部之倪家营子；红九军一部攻打甘州城未下，进驻沙河堡（今临泽县城）。此时，严冬已届，寒风凛冽，冰天雪地，冻指裂肤，西路军部分人员尚未穿上冬衣，部队饥寒交迫，已很疲惫。
