马军的骑兵得到了有史以来最大规模的集结，先后调集了17万人的大军，对西路军进行了疯狂的攻击。
在苏联的莫斯科，西路军在河西走廓遭到马军围剿的消息传来以后，苏方派遣10多个专家，与马英成立了一个联合参谋处，专门研究如何迎接红军进疆入苏的事宜。这个参谋处连续工作了3个多月。
一天，牛占川看见苏联边防司令来到他们的驻地，约见了马彦良，提出马彦良、喇守礼、马世杰、杨福兴等4人返回新疆领导36师，一是协同盛才消灭南疆的麻木提叛匪，二是严肃整顿36师，只能在和田留下一个团或一个营，其余的全部出关参加抗日。苏联全力保障后方的安全。
他们临行之前，马英让牛占川把马世杰和杨福兴请到自己的房间，专门叮嘱他们回国以后先到迪化，与盛才认真地交流一下，然后再来莫斯科一趟。
马世杰等人一一答应，保证完成任务，然后就踏上了归国的旅途。
1937年1月1日，红5军及总直供给部和妇女抗日先锋团各一部攻占了临泽城。军长董振堂、政治部主任杨克明率39团、45团及军部骑兵团两个连、特务团4个连和妇女抗日先锋团3营一部攻占了高台城。
9日，马元海总指挥，马彪、马朴、韩起禄、韩三成4个骑兵旅和炮兵、特务、手枪3个团以及部分民团2万余人将西路军分割开来，一起猛烈地围攻高台县城。
对于转战万里的红军来说，河西走廊是从来没有涉足的陌生之地。地广人稀、一马平川的地理环境，骑马作战、来去如风的敌人，都使红军最擅长的运动战、夜战、伏击、奇袭等难以施展，被迫以阵地战和敌军拼消耗，同时又很难获得补给。
红5军、红9军的部分部队经过7、8个昼夜的激战，主要领导大部分壮烈牺牲。高台红军伤亡殆尽。
面对英勇作战的红军，马军在屡次吃亏之后及时总结了战术。进攻的时候，驱赶民团冲在最前面，精锐部队积蓄力量待机。攻击的时候，每个人只带两三排子弹，打完了子弹骑马回去再取，防止子弹落到红军的手中。攻城的时候，往往是围住三端，放开一个口子。红军撤退的时候，派遣骑兵穷追。看到红军驻扎就开打，不给红军发动群众、安置伤员和整补力量的时间。作战的时候，采用人海战术和波浪战术，不给红军稍作喘息的时机。
马彪、马朴、马禄的部队攻入了高台县城。
马元海又率领步骑兵和民团进攻驻守临泽县城的西路军总部和所属单位。经过几天的激战，红军乘着夜晚突围，与驻守甘州（今张掖）西乡倪家营子的红30军会合。
20日，红5军将士坚守高台城。经9天8夜激战，终因寡不敌众而陷落。军长董振堂、政治部主任杨克明及以下官兵2000多人除少数突围外，其余均壮烈牺牲。
陈昌浩、徐向前率总直及9军1个团2000多兵力，向祁连山边的大孤山行进，后半夜进入祁连山边沿的张家沟。
27日，30军在西洞堡、龙首堡大胜青海宪兵团、100师手枪团，毙敌800余人，缴枪1200余支以及战马、子弹等。
28日晨，300多名骑兵行至西洞堡东30多里地的白城子时，遭到马军的伏击，除10多人幸免外，其余全部牺牲。
中央强烈要求蒋界石命令马军立即停止军事进攻西路军。为了解救西路军的危局，中央打算与马芳等讲和，愿以10万到20万的银圆换取停战。
西路军总部也根据中央精神致函马元海：“派代表商洽一切。”
马元海始终不肯接受西路军的建议，继续指挥马军向倪家营西路军防地不断发起进攻。
红军将士浴血奋战10多日，歼敌近万人，自身伤亡亦重，被迫放弃了倪家营子，转移到西洞堡、龙首堡一带。
马芳又派遣手枪团和宪兵团前来增援，继续围攻红军。
时值寒冬，红军给养无着，处境十分困难。
马元海率领骑兵穷追不舍。
马芳又从西宁派兵抄近路到达安西，截住了红军西进的道路。
2月26日，中央复电西路军“固守50天，我们正用各种有效方法援助你们。”
27日，西路军突出重围，向西转移到三道沟一带，又受到马军的分割包围。
3月11日夜，西路军从三道沟突围，退入祁连山附近。
经过永昌、高台、倪家营子、三道沟等多场血战，红军多次给予马军重创的同时，自身伤亡殆尽，高级干部先后阵亡。
12日，西路军9军和妇女抗日先锋团2营为掩护总部和30军进山，在梨园口南侧的山头进行阻击。9军在血战中损失两个团，军政委陈海松等10多名团以上干部及妇女抗日先锋团40余名战士英勇牺牲。在没有救兵、没有供给、弹尽粮绝的情况下，西路军最终全军覆亡。
红军余部突围，进入了新疆的戈壁沙漠。
河西战役到此结束。
打败西路军之后，马芳等人在狂欢庆祝的同时，一面向蒋界石致电邀功，一面对西路军的被俘人员展开了大规模的屠杀。
马芳的表弟马营后来交代说：1937年春天，他两次参与屠杀西路军的被俘将士，都是在西宁南门外的万人坑处。屠杀前，数日不给被俘将士吃饭，使他们失去反抗的能力。
深夜，先以为西路军将士看病为名将他们诱骗到万人坑处，然后一刀一个地砍倒在万人坑里。遭到屠杀的西路军将士大骂马芳是匪徒，高喊共产党万岁。剑子手将一个7、8岁小孩绑在一个女红军的身上，然后举刀将女红军砍伤，再推进坑里。小孩大叫一声，也跟着堕入坑中。如果还没有死亡，就用枪弹和乱石补上，然后再用泥土掩埋。
几天之后，万人坑上面的浮土仍然在动弹。
到了夏天，坑里散发出尸臭味来，非常难闻。马军用泥土再覆盖一层，用以掩盖味道。
在押解西路军被俘将士到青海的途中，马芳的弟弟马瀛竟然活活地将30名红军的胆取出，用来制作眼药。
被俘的红军战土押抵西宁之后，上千人惨遭活埋和屠杀，大部分女兵被赏给官兵做妻妾，余下的3000余人被编为补充团，押送到循化、化隆一带做苦力。
西路军出征的时候总人数约21800余人。河西战役中牺牲的约7000余人，被俘12000多人，被俘以后惨遭杀害的6000多人，被营救返回延安的约4700人，在沿途失散流落的约4500人。
1937年4月，剩余的400多指战员在李先念的带领下，从星星峡进入新疆，得到了新疆战友的救援。
巍巍的祁连山，汨汨的黑水河，默默地目睹了发生在河西走廊惨烈的战斗。
这样血腥的战斗自从远古以来，世世代代屡见不鲜，一再轮回。无论是羌人、匈奴人、月支人、乌孙人、汉人、突厥人、吐蕃人、回鹘人、吐谷浑人，还是蒙古人、党项人、回回人、满洲人，都在这一片土地上洒下了鲜血，献出了宝贵的生命。