这时，河东形势趋于紧张，蒋介石背弃已经达成的协议，公然扣留张学良，并调集重兵逼近西安，企图以武力解决东北军（张学良部）和西北军（杨虎城部），内战有一触即发之势。为防止内战爆发，中共中央一方面派周恩来继续同国民党进行谈判，制止国民党军进攻东北军和西北军；另一方面命令红军各部集结待命，准备配合东北军和西北军反击蒋军。中共中央从全民族抗日的战略需要出发，提出将河西走廊划为红军驻地（后来改提凉州以西为红军驻地）。西路军留在河西，是中共中央同蒋介石讨价还价的一个重要筹码。但蒋介石死不松口，并指使‘二马’加速攻击西路军。
元月5日，军委主席团致电西路军领导人：“西路军即在高台、临泽地区集结，暂时勿再西进，全军集结于二三点，一天左右行程，能集中作战，大力训练、补充，伺机消灭敌人。”见《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第523页。6日，西路军军政委员会致电军委主席团：“西路军基本任务怎样，据历次来电变更很大，致西路军遭受一些不可避免的损失，并影响到今后行动。”电文说：“西路军以现有力量，可以在此争取必要时间，准备以全力接近远方。”“但停此太久，消耗实力，全靠自力不能解决“二马”（军队），奠定抗日后方。”为此，“建议四军、三十一军归还建制”见《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第525页。。7日，军委主席团复电西路军领导人：“军委并没有变更你们的基本任务，也没有要你们久停不进，仅要你们暂在原地休整。”并指出：“‘二马’根本反对西安事变，希望同“二马”成立统一战线是不可靠的”，“远方（支援）物资只能送至安西，送至肃州是不可能的”，“四军、三十一军已集中长安（即西安）附近，也不能策应你们”。因此，“目前你们只能依靠自己，团结奋斗，不要依赖任何外力”见《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第526页。。
根据中央指示，西路军又滞留临高一带。西路军领导人决定将红九军、红三十军及总直部队，集中于沙河堡、倪家营子一带，红五军固守临泽、高台，决心在此寻机歼敌。这时，马步芳、马步青已调集所部五个骑兵旅、两个步兵旅及炮兵团、民团等，共计4万余人，在其前线总指挥马元海率领下蜂拥而来。敌以一部兵力牵制沙河堡、倪家营子地区的西路军主力，并切断高台、临泽之间的联系，集中力量首先向处于突出部位的高台红五军发动进攻。
（2）血战高台。元月1日红五军一到高台，立即发动群众，积极备战，准备迎击敌军攻城。董振堂军长带领营以上干部勘察地形，部署防守兵力：以第四十五团扼守东城及南城东半部；第三十九军扼守西城及南城西半部；骑兵团和特务团扼守北城。政治部主任杨克明带领政工人员深入各街道，宣传发动群众，建立高台县苏维埃政权。苏维埃政权建立之后，积极协助红军筹粮筹款，动员群众参加红军，发动全城的铁匠、木匠赶制大刀、长矛、木棒等武器。供给部的人员则不分昼夜，动员群众，为红军赶制棉衣、皮帽、毡鞋。军民协力，决心坚守高台县城。
元月9日，敌马元海调集的部队和民团进至高台后，由远及近，逐步压缩包围圈。12日，敌军以四个旅又三个团的兵力和民团一部，共2万余人，在大炮配合下，开始攻击高台县城。董振堂指挥红五军孤军奋战，始则依托城外工事，抗击敌军进攻，坚守阵地；继则梯次抗击，逐步退入城内，依托城墙打击敌人。
元月15日，敌军向西关制高点——由财神楼改建的大碉堡发起进攻。红军第四十五团的一个加强排固守在这里，在敌人的连续攻击中，全排指战员以大无畏的革命精神，英勇作战，打退了敌人十多次冲锋，毙伤大批敌人。敌人数战不克，即在碉堡周围堆集柴草，连同民房一起放火焚烧，坚守碉堡的红军战士全部壮烈牺牲在烈火之中。与此同时，城东也进行着激烈的战斗，东关的碉堡也被敌人攻陷。红五军经几昼夜激战，伤亡很大，弹药所剩无几。因红五军仅有的一部电台留在临泽黄超政委处，无法与总指挥部取得联系，情况十分严重。
从18日开始，敌人在炮火掩护下轮番攻城。这时，守城红军弹药几乎消耗殆尽，敌军遂攻至城下，搭起云梯，头顶罗锅往城头上爬。红军战士用木椽捣翻敌人的云梯，以大刀、长矛、木棒、石块、砖头为武器，把爬上城墙的敌人一次又一次打下去。城墙上弹痕累累，血迹斑斑，红五军遭到严重伤亡。20日，敌军全力攻城，炮火异常猛烈，但红军指战员依然前仆后继，浴血奋战，敌人每次攀上城头，都被红军用大刀砍下去，用长矛戳下去，用石头砸下去，不少伤员扭住敌人滚下城墙，与敌同归于尽。
此时，收编的民团叛变，打开城门，敌军涌入城内。红五军与敌展开巷战，逐街逐屋与敌争夺；刀刃卷缺，石头砸尽，便用拳打口咬，进行殊死搏斗。这样的拼搏进行了10余个小时，终因众寡悬殊，高台城被敌军夺占，红五军几乎全军覆没，军长董振堂，政治部主任杨克明，供给部长傅兰荪，第十三师师长叶崇本、政委朱金畅、参谋长刘培基以及大部分营团干部壮烈牺牲。
在红五军危急时刻，西路军总指挥部派骑兵师和三十军八十九师一部驰援，但在高台东南之小海子滩遭敌骑截击，骑兵师师长董俊彦、政委秦道贤、政治部主任李庆雍等200多名指战员牺牲；八十九师部队也有许多伤亡，师政治部主任张子英牺牲。
（3）苦战临泽。红五军于1936年12月30日占领临泽县城（今蓼泉镇）后，军政委黄超即率所属第三十七团和第四十三团共千余人，留在临泽设防。随后，西路军供给部、卫生部及所属辎重队、被服厂、造币厂、印刷厂、兵工厂、总医院、妇女团第二营，先后进驻临泽城内，红五军部队即移城外刘家墩、唐家湾等处村庄驻扎。
1937年元月9日，敌军以马彪旅、刘呈德团、马步銮团及部分民团，将临泽县城及刘家墩、沙河堡等地红军包围起来，并进行牵制性攻击。敌军占领高台后，又移五团兵力于临泽，围攻红军。敌军先以一部兵力攻击城外红军部队，主力则向县城攻击。守城红军中只有两个警卫排，其余均为后勤和卫生工作人员。临泽县城虽小，周长不足一公里，但城垣坚固，四个城角建有敌楼和炮台；城四周有宽六米、深三米的护城壕；城郊地形平坦开阔，利于防守。红军守城力量虽弱，但士气高昂，在供给部部长郑义斋和总部第四局（侦察局）科长秦基伟组织领导下，努力加修城防工事，把石头、砖块、木料及能用来杀伤敌人的一切物件，都搬上城头，准备打击敌军。数百名女战士既是战斗队，又是运输队、救护队，坚持战斗在第一线。
1月20日，敌军开始大规模攻城，红军不分男女，一齐上阵，英勇战斗，坚守城池，打退了敌军的数次攻击。21日，敌以山炮轰击城垣，轰开缺口后，便抬着梯子，挥舞马刀冲击。守城红军以火力和砖石击退了敌人的多次冲击，落在城下的砖块、瓦片、石头覆盖了地面，被打死的敌军横尸枕藉。战斗持续了一整天，红军的伤亡逐渐增加，子弹、瓦片、石头差不多都已打光，情况十分严重。傍晚，驻守城外的红五军一部，向敌军发起进攻，才将敌军击退。
22日，敌军在猛烈的炮火掩护下，从四面向县城发动攻击，大批步兵、骑兵拥向城下，来往穿梭。红军机关人员、医务人员、修械工、饲养员、担架员，无论男女，全部投入了战斗。但因红军火力太弱，无法有效打击敌人。敌人在西城角和东北角轰开了缺口，数次搭梯攻城，红军以檑木、石磙，把梯子砸断，敌兵凌空坠落。这样反复多次，敌军始终未能爬上城头。坚守西城楼的一排红军，英勇抗击十倍于己的敌军，用机枪、手榴弹打退了敌人的十数次进攻，最后被敌人放火焚烧，30名红军战士同城楼一起化为灰烬。红军在临泽苦战了三个昼夜，杀伤敌近500人。
敌军在围攻临泽的同时，还分兵对驻扎在县城附近刘家墩、唐家湾等地的红五军部队及驻扎在沙河堡、鸭子渠等地的红九军部队，展开规模大小不等的攻击，红军进行防御战斗，抗击敌军进攻。
22日晚，守城红军除了留一个小分队牵制敌军，其余人员在城外红五军部队接应下，突出重围转移。当夜，风沙弥漫，突围的红军向南疾行中，又与追击的敌军多次发生激战，数百人牺牲、负伤，一部分走失。经过苦战，供给部、卫生部和红五军部分部队，在红九军一部接应下，始摆脱敌人追击。留在城内牵制敌军的二三十名红军战士，大多壮烈牺牲，少数人负伤后被敌俘虏；未及走脱的一些工匠和伤病员也被敌俘获，不少人惨遭杀害。
（4）第一次倪家营子战斗。位于临泽南部的倪家营子，分上下营子，人口集中，粮米较丰。全营子共有43个屯庄，星罗棋布，坐落在长达六七公里的缓坡地带，南距祁连山七八公里，北距临泽县城（蓼泉）32公里。每个屯庄就是一个堡垒，黄土围墙高达五六米至八九米，较为坚固，较大的屯庄还筑有望楼和碉堡。1937年1月上旬，西路军总部和红三十军进驻倪家营子，总指挥部设在缪家屯庄，政治部住在曹家庄子，三十军军部住在李家庄子。总部计划：经过一段时间的固守，消耗敌人有生力量，然后转入反攻，歼灭敌军。
为了抗击敌军的攻击，红军总部立即进行战斗部署，将三十军部队作了纵深梯次配置，在汪家墩设置第一道防线，以王家屯庄为第二道防线，缪家屯庄为第三道防线，各配置具有战斗力的部队分工防守，构成一个椭圆形的防御圈。任务分配后，各部队积极进行战备工作，加修工事，在所有庄院的围墙上都挖了枪眼和垛口，在敌人可能进攻的主要方向上，布设了鹿砦等障碍物，以阻止敌军骑兵的穿插攻击。又在各防线之间构筑了交通壕沟，直达总指挥部。各级政治机关干部，一部分深入各连队，做战地鼓动工作；一部分深入村庄，发动群众支援红军作战。
红军到达倪家营子不久，敌总指挥马元海就调动韩起功步兵旅和一批青海民团，进到倪家营子周围，夺占了边缘地区的一些屯庄驻扎。元月11日，敌军开始对红军驻地进行攻击，连日战斗不断，枪声不止。15日，敌军和民团对红军进行多点攻击，并捕捉和击杀红军派出做地方工作的干部。19日，在高台战事激烈之时，敌军对倪家营子又进行了较大规模的攻击，企图牵制红军主力。第一次倪家营子战斗打了10天，红军进行了有力抵抗，杀伤了一批敌军和民团。
元月20日高台失陷，红五军遭受重创；临泽战斗正激烈地进行着，敌军冲击甚烈。这时，西路军已处于困难境地。元月20日晚，西路军军政委员会在倪家营子召开会议，讨论西路军行动方针问题。鉴于高台失守，临泽战斗形势严峻，为避免被敌各个击破，会议决定东返。1月21日1时，徐向前、陈昌浩致电军委主席团，报告西路军东返，参加抗日联军。
（5）张掖西洞堡等地战斗。元月21日晚，西路军从倪家营子出发东返。22日，总部率红三十军进至张掖西南的西洞堡；副总指挥王树声率红九军前出至甘州以南之龙首堡、木龙坝、包王寺一带。红军准备在这里稍加休整后，继续东进。但敌军紧追不舍，尾追而至。23日，西路军军政委员会决定，孙玉清任红五军军长，毕占云任参谋长，谢良任政治部主任，三十九团余部并入三十七团，四十五团余部并入四十三团。
西洞堡为一集团村落，筑有堡寨围墙，便于依托；堡寨周围地形开阔，利于发扬火力，杀伤敌人。元月26日，红三十军与尾追之敌在西洞堡滩接战，红八十八师将敌击溃，歼敌400余人，缴获各类枪400余支。27日，马元海令一〇〇师手枪团和青海省宪兵团围攻驻守西洞堡的红军。下午3时许，敌军进抵村落附近，红八十八师和红八十九师一部，出敌不意地发起攻击。敌宪兵团成员身高体壮，装备优良，每人佩带长短枪各1支，大刀一把，拼命顽抗，双方展开了一场激烈的白刃战。经过两三个小时的肉搏，红军全歼敌宪兵团，击溃敌手枪团，歼敌800余人，缴枪800余支、弹药一批。这是西路军从一条山西进以来取得的一次较大胜利。
此战后，西路军政委陈昌浩过高估计了这次胜利的意义，认为西路军可以打败马家军，故提出：西路军没有得到中央同意就东进，违背了中央关于接通苏联的指示精神，要部队重返倪家营子，相机西进，完成“打通国际路线”的任务。11月28日，西路军军政委员会在龙首堡张家庄举行扩大会议，在陈昌浩坚持下，会议决定重返倪家营子，从而招致了西路军的最后失败。
1月28日晚，西路军突围西返。29日，总部和红三十军、红五军到达倪家营子；但红九军掩护总部直属单位西返时，遭敌包围，激战一整天，不得脱身。29日晚突出重围，途中又遭敌伏击，队伍被打乱三次，人员伤亡很大，丢失电台一部，第二十七师参谋长姜振海牺牲。30日，后卫红九军及直属队一部，始返回倪家营子。还在27日，总部派红九军第二十七师七十五团300余兵力，东去民乐调动敌军，但行至白城子（西距龙首堡10公里）时，即遭敌围攻，苦战三天，牺牲百余人，始得脱身，突围后连夜返回倪家营子。
（6）第二次倪家营子战斗。元月底，西路军全部人马齐集倪家营子，西路军总部计划稍事休息，继续西进。这时倪家营子已被敌军和反动民团搞得面貌全非，不少家庭被洗劫一空，整个村庄一片凄凉；红军东返时留下的百余名伤员全被敌人杀害，收养红军伤员的老百姓遭到毒打、关押，有的房屋被烧。红军指战员义愤填膺，根据群众要求，搜捕了残害红军的当地民团团副李成基等三人，公审后当场处决。这时，敌军也紧迫而至。红军集中了兵力，敌军也集中了兵力。敌以七旅之众把红军团团包围在倪家营子，使红军无法脱身。
自2月初开始，敌军便以重兵连续进攻红军，使用的兵力有四个骑兵旅、三个步兵旅、二个独立团，另有十余个反动民团，总数达5万余人。而红军则只有10个团，每团只有800人至900人，满打满算，战斗人员至多只有10000人。红军各部队仍按照前次战斗分工，分驻各个屯庄，凭垒固守，并同敌军展开了浴血苦战，汪家墩、王家屯庄、宋家屯庄、缪家屯庄、肖家屯庄等处，都是多次进行激烈战斗的地方。西路军顽强固守，以寡击众，与敌军展开激烈的攻防战。敌军每次进攻，均以大炮轰击，继以步骑兵集团冲锋。许多屯庄的围墙被轰塌，房屋被轰毁，但红军仍坚守在断垣残壁之间，与敌苦战。
