经过艰苦的战斗，左宗棠终于在1871年取胜，马化龙父子投降后被处死。
在肃清后方后，左宗棠开始进攻甘肃河州。当地回民军领袖马占鳌顽强抵抗，清军屡屡受挫。但在清军的强大压力下，马占鳌于1872年投降。回民军的主力至此已经被消灭。随后，左宗棠派刘锦棠克复西宁，白彦虎等退入甘肃。他又派徐占彪进攻肃州，但肃州久攻不下。在此期间，左宗棠还在兰州创办了甘肃机器制造局，推动了西北地区的近代化进程。
1873年，随着西宁回民军首领马桂源投降并被处死，以及左宗棠集合徐占彪、宋庆、金顺、刘锦棠等部大举围攻肃州，肃州回民军首领马文禄被迫投降后被处死。随着肃州的克复，陕甘回民起事终于被平定。左宗棠因功被清廷授予陕甘总督协办大学士的职务，并赏加一等轻车都尉世职。
五、进军新疆
1864年，新疆地区因受太平天国运动和同治陕甘回变的影响，陷入了割据纷争、各自为王的混乱局面。其中，喀什噶尔成为争夺的焦点，伊斯兰教白山派首领马木提艾和柯尔克孜族部落头目司迪克相继向中亚的浩罕汗国求援，引来了该国的军事头目阿古柏。阿古柏于1867年在新疆建立了“洪福汗国”，加剧了新疆的动荡。同时，沙俄也趁机于1871年7月侵占了伊犁，进一步加剧了新疆的危机。
面对新疆的危机，清廷开始重视并采取措施。他们命令景廉、成禄等率军出关，并令左宗棠派兵进剿。然而，由于陕甘回民起事尚未平定，左宗棠认为此时兴师远举并非稳着，但他仍于1872年1月派徐占彪进兵肃州，为收复新疆做准备。
1873年3月，左宗棠提出了先安定新疆回部再准备收回伊犁的方针。他认为，欲收伊犁，必先克乌鲁木齐。如果乌鲁木齐城克复，再大兴屯田以保证长期后勤供应，安抚新疆各部族耕牧如常，即使不立即索伊犁，也已稳然不可犯。这一方针得到了军机大臣文祥的支持。
然而，1874年日本侵台事件引发了清廷内部的“海防”与“塞防”之争。李鸿章等人力主海防，主张放弃塞防以节省军费用于海防。而左宗棠则主张海防与塞防并重，认为不收复新疆将导致陕甘清军被长期牵制，且会招致英、俄的渗透。最终，左宗棠