道天山南麓；副将军富德领兵自巴里坤西进，互为犄角。乾隆帝特意嘱咐：“行军当审时度势，勿轻进，先固粮道，再图进取。”（《清高宗实录》卷五百六十三）
第一战发生在库车城。库车城“依山而建，墙高丈余，城外有护城河”（《西域图志》卷十七），守将阿卜都克勒木是霍集占的亲信。兆惠率军抵达后，先派鄂对喊话劝降，遭严拒后下令攻城。清军“穴地攻城，炮轰其垣”，但库车守军顽强抵抗，“从城上掷石下，伤我士卒甚众”（《啸亭杂录》卷三）。激战月余，清军仍未能破城，反而因暑热和补给困难减员不少。
霍集占得知库车被围，亲率三千骑兵来援。兆惠分兵迎击，在库车城外的鄂根河展开激战。清军“乘夜袭其营，斩馘千余”，霍集占大败而逃，仅带数十人窜回叶尔羌。此战后，库车守将见援军无望，乘夜弃城而逃，清军终于攻克这座坚城。但兆惠清点兵力时发现，南下以来清军已伤亡近三千，且粮草即将告罄，不得不暂缓进军。
乾隆帝接到战报后，调整策略，命兆惠“先清阿克苏、乌什诸城，稳固后方，再图叶尔羌”。阿克苏城主霍集斯（曾擒获达瓦齐献予清军）见清军势大，主动开城投降，“献马千匹，粮万石”（《清高宗实录》卷五百六十八），使清军获得重要补给。至同年秋，除叶尔羌、喀什噶尔外，回疆各城多已归附清廷。
乾隆二十三年（1758年）十月，兆惠决定乘胜进军叶尔羌。他亲率三千清军（其中多数为满、蒙八旗兵）抵达叶尔羌城外，扎营于城南的黑水河畔，故称“黑水营”。此时霍集占已在此集结数万叛军，双方兵力悬殊。
兆惠本想趁敌军立足未稳渡河作战，不料刚渡一半，叛军突然从两翼杀出，“矢石如雨，骑兵往来冲杀”（《清史稿·兆惠传》）。清军被迫退回河岸，陷入重围。霍集占下令“绝其水道，困死清军”，黑水营顿时陷入绝境。兆惠在给清廷的奏报中写道：“我军被围，粮且尽，马驼多毙，士卒煮鞍革充饥，然皆愿死战。”（《平定准噶尔方略》续编卷二十一）
坚守期间，清军展现出顽强的战斗力。兆惠身先士卒，“左颊被枪伤，犹策马指挥”（《啸亭杂录》卷三）。士兵们“掘井得水，煮粮种为食，夜袭敌营夺马驼”，多次击退叛军进攻。最危急时，叛军引河水灌营，清军“挖沟排水，反得饮水”；叛军断其粮道，清军“掘得叛军先前埋藏的粮食数百石”（《圣武记》卷四），竟奇迹般地支撑下来。
黑水营被围的消息传至北京，乾隆帝急命富德率援军南下。富德一路转战，“遇敌于呼尔璊，转战四昼夜，杀贼数千”（《清高宗实录》卷五百七十三），终于在次年正月抵达黑水营外围。兆惠见援军至，率军从内杀出，内外夹击，叛军大败而逃，长达三个月的黑水营之围终得解除。此役清军虽损失惨重，但彻底挫败了叛军的锐气，为最终平定叛乱奠定了基础。
乾隆二十四年（1759年）夏，清军经过休整，兵分两路展开总攻：兆惠率军进攻喀什噶尔，富德进军叶尔羌。大小和卓见清军势不可挡，竟裹挟城中百姓和财物向西逃窜，“凡不愿从者，悉遭屠戮”（《西域闻见录》卷三）。喀什噶尔、叶尔羌两城相继光复，清军随即展开追击。
七月，清军在阿尔楚山（今帕米尔高原东北）追上叛军。