2月13日，西路军电报中共中央：“四军、三十一军此时不能归还建制，夹击‘二马’，则西路军无法完成西进任务，决心在高、抚地区击敌，俟天气稍暖，即赴大通、西宁一带活动。”西路军这一行动企图，旋即被敌判明。2月14日，马元海电告马步芳：“倪家营子红军避不应战，已无西上新疆能力，发现有东进模样。”马步芳下令：“四面协力急攻，不得任其东返。”此后，敌军即对西路军展开全面进攻，战斗更趋激烈。敌人以大炮掩护，集团冲锋，梯队重叠，步步推进，包围圈越来越小。战斗最激烈的时候，徐向前、陈昌浩亲临前沿指挥，使浴血奋战的指战员受到极大的鼓舞。
汪家墩坐落在倪家营子中上部位，是用黄土筑成的一个正方形空心墩，墩墙厚实，高约15米，分成两层，因地势较高，站在土墩顶端，便可瞭望全村，用火力控制四方。红军派八十八师二六三团三营九连坚守在这里，成为红军最前沿的一个据点。因为这个据点是敌军冲击道路上的一个“拦路虎”，也就成为敌军进攻的重点，战斗异常激烈。九连的100多名指战员，在三营教导员周纯麟带领下，英勇战斗，打退数倍乃至十数倍于己的敌军的十几次攻击，用步枪、手榴弹、大刀，杀伤了大批敌人，最后全连只剩下九个人，但汪家墩依然为红军牢牢控制。
与此同时，其他据点也都展开了逐堡逐屯反复争夺的战斗。由于红军子弹极端缺乏，几乎全凭肉搏格斗打击敌人。每当敌人蜂拥冲来时，红军指战员即一跃而起，冲入敌群，用大刀、木棒及一切可以当作武器的物件进行拼杀。无论战斗部队还是机关人员，无分男女病伤，一齐上阵，屯自为战，人自为战，举刀向敌，争为先锋。前面的红军倒下去，后面的红军又补上来，轻伤员不下火线，重伤员拉响手榴弹，与冲到跟前的敌人同归于尽。有的指战员手中的武器被打坏了，便赤手空拳与敌扭成一团，咬掉敌人的耳朵，扼住敌人的喉咙，拔掉敌人的胡子，进行拼搏。各级指挥员身先士卒，与敌拼杀。红二六五团团长邹丰明负伤后，仍然手挥大刀，率部酣战，所到之处，敌人纷纷倒地。夜晚，敌军缩回驻地，红军趁机加修工事，准备再战。
在坚守防御的同时，红军还利用夜幕的掩护，不时组织小分队出击，打击敌人，疲劳敌人。一次，红三十军“夜老虎”二六五团组织了一个仅有25人的突击排，奔袭敌军屯集军火的雷家屯庄，全歼守敌一个排，焚毁敌军火24马车。
为了加强部队的作战能力，西路军总部决定，将红五军余部编入红三十军，其第三十七团编入八十八师，第四十三团编入八十九师；又以原骑兵师剩余人员为基础，加上总部机关和红五军部分人员，重新组建骑兵师。骑兵师组建后，加紧训练，10天后即奉命东进，调动敌人。骑兵师经张掖、民乐、山丹，于2月19日进至永昌以南之东大河地域，同敌军激烈交火，后突围返回倪家营子。
西路军在倪家营子战斗20余日，无日不战。红军指战员忍饥耐寒，英勇抗击敌人，至2月21日大小战斗50余次，击退敌军大规模进攻10余次，毙伤敌人六七千人，敌骑兵旅长马朴、团长马得胜被击伤，青海循化民团司令韩忠良、团长马亚子等被击毙。红军自身伤亡也达几千人。是时，当地天气寒冷，红军粮食和饮水发生严重困难。特别是千余伤员，无药治疗，伤口化脓，加上乏食，饥寒交迫，痛苦至极。
2月19日，西路军军政委员会在缪家屯庄召开会议，讨论西路军行动问题。徐向前总指挥在会上说：“目前我们已很困难，敌军攻势一次比一次激烈。外援不可指望，只有依靠我们自己的团结奋斗，突出重围，寻求生路。”与会者一致赞同徐向前的意见，决定突围。20日，西路军总部将突围意见电报军委主席团。21日，党中央、中央军委复电西路军，鼓励西路军用自力解决危局。电文中说：“望全体指战员坚持党和红军的光荣旗帜，奋斗到最后一个人，最后一滴血，在绝境中求胜利，全党和全体红军誓为你们的后盾。”当日晚，西路军从倪家营子突围，向临泽县南部的威狄堡转移。
（7）第三次倪家营子战斗。2月21日晚，西路军从倪家营子突围。程世才率领红三十军第八十八师开路，经过拼死血战，打开了突围通道，大部队鱼贯而出；王树声率领红九军殿后掩护，顽强阻击追兵。全军突围而出，连夜行军，次日凌晨转移至威狄堡一带。上午，敌骑即接踵而至，旋即向西路军展开攻击。威狄堡一带堡寨屯庄密集，地形开阔，很不利
于防守，红军坚守此地，困难很大。为此，徐向前和李特研究，提出突围进祁连山的意见，但陈昌浩以党中央、中央军委21日电示中“依靠自力解决难局”、“战斗到最后一个人、最后一滴血，在绝境中求胜利”为依据，说“突围不符合中央精神”，坚持重返倪家营子。2月22日晚，西路军又返回倪家营子。
2月23日晨，西路军刚刚返回倪家营子，敌军即跟踪而至，集中兵力轮番攻击红军，其中刘呈德团、马步銮团、马忠义团、谭成祥团最为疯狂。而红军的处境则更加困难，无粮、无水、无弹、无柴，陷入了弹尽粮绝的境地。
敌军抓住红军的这些弱点，放肆地攻击红军。敌骑一波一波，在红军驻守的庄院间不断穿梭；步兵荷枪实弹，在红军眼皮下来来往往。红军以村庄的断垣残壁为依托，坚守不出，只待敌军进到阵前数步距离时，才从残墙背后杀出，进行白刃格斗，遭受严重伤亡，多处堡寨被敌攻陷，当时的形势十分危急。
在此期间，西路军领导人曾连电军委主席团：敌骑日夜接近，步骑炮集中，日夜交战，西路军不战胜此敌，必有极大牺牲，西进不可能，东进亦不可能，请求派兵增援。见《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第582～583页。2月26日，军委主席团决定组建援西军，援助西路军。援西军以红四军、红三十一军、红二十八军、红三十二军和军委直属骑兵第一团组成，由刘伯承任司令员，张浩任政治委员；同时决定由周恩来通过政治谈判和重金收买的手段，寻求马步芳、马步青停止对西路军的进攻。援西军经过短暂准备，于3月5日由陕西三原、淳化地区出发，向镇原方向西进。这时的西路军，已到弹尽粮绝、精疲力竭的地步，而援西军尚在数千里之外，远水解不了近渴；与“二马”的谈判，也未取得进展，马步芳还在命令他的部队不断进攻红军。
西路军又在倪家营子浴血苦战了五个昼夜，无法在这里坚持下去，遂于2月27日晚突围，向西北方向的沙河堡（今临泽县政府驻地）转移。这时，红军已断粮数天，打算在沙河堡就粮，取得给养后再向祁连山转移，但马元海率领骑兵紧追不舍，红军无险据守，坚守一天后不得不从河堡撤出，向祁连山北麓的三道柳沟转移。
（8）恶战三道柳沟沙。3月1日晨，西路军抵达三道柳沟。此地位于临泽县西南部，是祁连山北麓的缓坡地带，东西长约五公里，南北宽约半公里，土屋茅舍散落其间，少粮缺水。村落南面是祁连山，东、西、北三面是戈壁沙漠，两条南北向的干沟（一条叫陈家河，一条叫砟子河）把村落分割成三部分，东面的叫东柳沟，西端的叫西柳沟，中间的叫南柳沟，人们称为“三道柳沟”。西路军一到三道柳沟，即一面筹粮做饭，一面构筑工事，设置鹿砦，准备迎击敌人。尾追红军的敌军三个骑兵旅和两个步兵旅，当日即跟踪追来，在三道柳沟以东和以北五公里长的野外沙滩上，层层构筑工事，对西路军形成半包围态势。
从3月2日起，敌人采取集团冲锋的方式进行强攻。当日晨，敌以步骑兵数旅之众，在大炮掩护下，向红三十军主力八十八师阵地——南柳沟赵家庄子扑来，企图将红军一举冲垮。这时，红三十军代军长程世才和八十八师师长熊厚发亲临第一线指挥作战，固守阵地。敌军抓住红军缺少弹药的弱点，多次以密集的队形发起冲击。每当敌军冲到红军阵地前沿时，伏在阵地内的红军指战员，即跃出工事，以大刀、刺刀、长矛与敌肉搏，将敌军杀退。从早到晚，红军指战员前仆后继，视死如归，同敌人反复争夺，八十八师的前沿阵地完全被鲜血染红，倒下去的红军战士和敌军的尸体，叠压在一起。当晚，红三十军实施反击，将敌击退，恢复了原来的阵地。
3月3日，敌人集中兵力向东柳沟红九军阵地冲击，红军坚守抗击，将敌击退。接着，敌军又攻击西柳沟的雷神庙和西路漕，企图分割包围红军，红军奋起反击，再次将敌击退。之后，敌军又从东西两面向南柳沟逼近，意欲夹击红军；傍晚，敌沿砟子河（即西干沟）步步推进，向守卫在赵家庄子的红八十八师二六八团展开猛攻，红军战士依托庄院，英勇抗击，寸土不让。经几小时的反复拼杀，红军守住了庄院。
连日恶战，西路军虽然英勇拼搏，但因火力太弱，只能坚守寨堡，无力出击。3月5日晚，马元海以数团兵力，强占了南柳沟、西柳沟中间的地带。西路军集中火力反击，激战一昼夜，未能将敌击退，红三十军和红九军、西路军总部之间的联系被割断。6日，南柳沟阵地被敌突破，八十八师师长熊厚发到第一线指挥，力图恢复阵地，不幸中弹，右臂被打断，入祁连山牺牲。7日，红军几乎断粮，饮水亦发生极大困难。10日，徐向前、陈昌浩向中共中央军委报告战况，并说西路军“现已无粮，仍（在）战斗。附近地区均无粮缺水……三百米内亦用电台联系”见《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第608页。。西路军坚持到11日夜，不得不向南突围，经梨园口转入祁连山区。
（9）梨园口之战。3月11日，西路军从三道柳沟突围，沿祁连山北麓山坡向东南方向的梨园口转移，敌军紧随其后追击。12日拂晓，红军占领了梨园口。
梨园口是通往祁连山中的一个山道口，宽约500米，两侧山头高低起伏，连绵东西；进入山口，便是梨园河谷，有四个小村落散布其间。当西路军进入梨园口时，马元海便指挥马彪、马忠义、马步銮三个骑兵旅马忠义和马步銮原是马步芳第一〇〇师骑兵旅的两个团长，此时已被马步芳任命为旅长，其部也被升格为骑兵旅，但其实际兵力仍为骑兵团。、韩起功步兵旅、刘呈德步兵团、马玉龙手枪团及四个民团，跟踪而至，占领了梨园口东山头，随即从东、北两面向红军冲击。红九军为掩护红三十军展开，在军政委陈海松指挥下，抢占黎园河旁的一个山头，英勇抗击敌军进攻。此时，红九军只剩下几百人，除了军部交通队尚有一些子弹，其余战斗部队大多已无子弹。敌人冲上来，红九军指战员们就用刺刀捅、长矛戳、大刀砍、石头砸，有的和敌人扭在一起，滚下山崖同归于尽。经几小时拼杀，终因寡不敌众，损失很大，被迫后撤，军政委陈海松、红二十五师政委杨朝礼、军政治部宣传部长黄思彦、七十五团参谋长吕杰等，英勇牺牲。
红九军失利后，敌军即倾全力攻击红三十军阵地。此时，红三十军每个团也只有二三百人。为掩护总部机关和伤病员向山里转移，红三十军指战员与敌军顽强搏击，梨园口内战马嘶鸣，白刃交加，血肉横飞，战况极为惨烈。八十九师遭受严重伤亡，师长邵烈坤负伤被俘，政委张文德牺牲。陈启华接任政委，数小时后陈又牺牲。战至傍晚，二六四团全部伤亡，二六三团也大部损失。当晚，西路军总部指挥余部，利用山峦险要地势，边打边撤，退向康隆寺一带。这时，红军兵力连同大批伤员在内，已不满5个团，西路军的西征行动即告失败。中央所派援西军，这时正向陇东镇原、固原地区运动，闻西路军失败，即停止前进，遂即派人四处联络，收容失散回归人员。
（六）转战祁连山中
西路军进入祁连山后，部队已被敌人冲得七零八落，指挥部能够直接掌握的，只有三十军尚成建制的一千余战斗人员，还有机关干部、勤杂人员、女战士约两千人，其余人员已同指挥部失去联系。3月13日，西路军总部接到军委主席团电示：为保存力量，一部分可向外蒙冲去，或可就地分散游击。参见《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第611页。但未及整理部队，敌军又追了上来，红军即与敌人展开搏斗。
（1）马场滩、牛毛山战斗。3月13日拂晓，西路军进抵马场滩。这时，尾随红军一夜的敌骑兵部队，从三个方向的沟谷里冲进了马场滩。红军一部急速奔上马场滩旁边的牛毛山，抢占了制高点；红三十军二六三团余部就地展开，抗击敌人，掩护机关、伤员、勤杂人员撤向山头。马场滩地形开阔，无任何遮蔽物，敌骑兵纵横奔驰，左冲右杀，红二六三团余部又损失大部人员。
这时，一些红军女战士和伤员才爬到山腰，为掩护这些人员上山，红二六三团排长周国华带领十余名战士，拼死抗击敌人，击退了敌骑兵的几次冲击，终于完成掩护任务，但周国华排长和十多名红军战士全部壮烈牺牲。中午，敌军骑兵向牛毛山发起集团冲锋。牛毛山系慢坡土山，敌骑可以直奔山头。敌骑快冲上来时，红三十军二六八团从山头反击下来，经过激烈拼杀，将敌击退，敌军被迫暂停进攻。
（2）石窝山战斗。为了摆脱敌人，西路军余部连夜向深山转移，一连翻越几座大山，进抵康隆寺以南的石窝山附近。14日拂晓，敌军骑兵又跟踪而至，从满山遍野卷杀而来。红三十军二六八团立即占领背后的一座山包，以保证全军的退路；二六五团担任掩护任务，连续打退了敌人的几次冲锋，伤亡殆尽，团长邹丰明、政委黄英祥均壮烈牺牲。二六七团接着迎上去，在临近山顶的斜坡上继续与敌拼杀，也遭受很大伤亡，团长潘传品牺牲。在这次战斗中，西路军供给部长郑义斋、三十军政治部宣传部长俞荣华、八十八师政治部主任张卿云、二六三团团长熊庆发等，也英勇牺牲。敌军兵力多，运动快，不少分散后撤的红军，被敌军各个残杀。在危急时刻，妇女团奉命以二六八团名义，勇敢地担负起阻击敌军的任务，阻止了敌军的疯狂进攻，旋遭敌重兵包围，一部伤亡，大部被敌军俘去。此时，西路军余部已不满3000人。
