富德令前锋参赞大臣明瑞率骑兵冲锋，“自辰至午，三战三捷”，斩杀叛军数千人。大小和卓率残部逃往巴达克山（今阿富汗东北部），其部众“沿途溃散，降者甚众”（《清高宗实录》卷五百八十六）。霍集占曾向巴达克山国王素勒坦沙求援，许诺割让土地，遭拒绝后双方发生激战，叛军大败。
素勒坦沙深知清军势大，不敢收留大小和卓，遂将二人擒杀，“函其首献于清军”（《平定准噶尔方略》续编卷二十七）。至此，历时两年的大小和卓叛乱彻底平定。乾隆帝接到捷报后，命人将大小和卓首级悬于京师示众，以儆效尤，并赋诗庆祝：“凶渠授首，回疆悉平，拓地二万余里，皆入版图。”（《御制诗集》卷五十八）
平定叛乱后，兆惠率军进驻喀什噶尔，着手安抚百姓。他发布告示：“凡被胁迫者，皆免罪；归降者，仍其产业；逃亡者，招抚复业。”（《回疆通志》卷三）同时严惩叛乱骨干，清查户籍，恢复生产。至年底，回疆社会秩序基本稳定，“商旅渐通，农田渐垦，民渐安业”（《西域图志》卷十八）。
乾隆二十四年（1759年），清廷在喀什噶尔召开善后会议，确立了对回疆的统治制度。核心举措包括：
其一，设总理回疆事务参赞大臣，驻喀什噶尔，统辖叶尔羌、和田、阿克苏等八城，受伊犁将军节制。各城设阿奇木伯克（地方行政长官），由清廷任命，“皆从回部中择其忠顺有才者授之”（《清史稿·职官志》），但规定“阿奇木伯克不得专生杀权，大事须报参赞大臣裁决”。
其二，推行伯克制与郡县制结合的管理模式。将回疆分为三十一城，每城设伯克若干，分管民政、司法、税收等事务，伯克等级从三品至七品不等，“皆食俸禄，不得私征”（《西域图志》卷三十一）。同时派驻清军分驻各城，设卡伦（哨所）数百处，加强边防。
其三，制定《回疆则例》，规范统治秩序。明确规定“回人犯法，依回俗处置，但死罪须报参赞大臣批准”；“禁止和卓家族干预政务”；“减轻赋税，旧准噶尔所定税额减十分之三”（《清高宗实录》卷五百九十一）。这些措施既尊重了当地习俗，又强化了中央集权。
乾隆二十七年（1762年），清廷正式在伊犁设将军府，以明瑞为第一任伊犁将军，“节制南北两路，统辖外夷部落，操阅营伍，广辟屯田”（《清史稿·地理志》）。至此，天山南北完全纳入清朝中央政府的直接管辖，新疆作为一个政区名称开始出现。
平定大小和卓叛乱，是清朝巩固西北边疆的关键一役。历史学家魏源在《圣武记》中评价：“高宗平定回疆，其功不在唐贞观下。唐之安西都护府，仅羁縻而已；清之伊犁将军，则实统其地，设官置守，与内地等。”这场战争不仅维护了国家统一，更促进了回疆与内地的经济文化交流。
战后，清廷组织大规模屯田，从陕甘、内地迁移汉、回等族农民前往回疆，“授田亩，给耕牛，免赋税三年”（《新疆图志·屯垦志》）。至乾隆末年，回疆耕地面积较战前增加一倍，粮食产量大幅提高，“岁输米麦二十余万石”（《西域图志》卷三十三）。同时，清廷开通从叶尔羌至北京的驿道，设驿站六十余处，使“回疆之玉、棉、果，内地之茶、布、丝，往来贸易不绝”（《檐曝杂记》卷四）。