在西北形勢岌岌可危的時候，時任陜甘總督的左宗棠以垂暮之年毅然承擔起收復新疆的重任。在沙俄侵占伊犁後，正準備告老還鄉的左宗棠立即表示：“今既有此變，西顧正殷，斷難遽萌退誌，當與此虜周旋！”
對於新疆問題，清政府的態度如何呢？清廷內部出現了兩種截然不同的意見，這就是持續了幾個月的“海防與塞防之爭”。直隸總督李鴻章堅決反對出兵，他的論據是：“論中國目前力量，實不及專顧西域”，並強調“海防”要重於“塞防”，認為“新疆不復，於肢體之元氣無傷；海疆不防，則腹心之大患愈棘”。李鴻章對收復新疆的價值判斷是：“徒收數千裏之曠地，而增千百年之危漏，已為不值”。刑部尚書崇實把話說得更加直白，他認為，新疆“縱能暫時收復”，“萬裏窮荒，何益於事”？湖南巡撫王文韶則認為新疆地位重要，形勢嚴峻，“我師退壹步，則俄人進壹步。我師遲壹日，則俄人進壹日。事機之急，莫此為甚”，“但使俄人不能逞誌與西北，則各國必不致挑釁於東南”，因此主張“全力註重西征”。
左宗棠堅決主張出兵收復新疆。壹方面，他強調“海防、塞防二者並重”；另壹方面，又指出出兵新疆是當務之急：“若此時即擬停兵，節餉，自撤藩籬，則我退寸而寇進尺，不獨隴右堪虞，即北路科布多、烏裏雅蘇臺等處恐怕亦未能晏然”。同時又強調：“若新疆不固……匪特陜甘、山西各邊時虞侵軼，防不勝防，即直北關山，亦將無晏眠之日”。並反復重申：國家領土寸尺不能讓人。最後，清政府采納了左宗棠的意見，做出了出兵收復新疆的決定。同時，任命左宗棠為欽差大臣，督辦新疆軍務，委以籌兵、籌餉，以及指揮西征軍的全權。“暫罷西征”之議遂壽終正寢。
受命之後，左宗棠晝夜籌劃，精心準備。準備工作除了集結、訓練、部署軍隊之外，主要是籌糧、籌餉、籌運轉。數萬大軍軍糧的籌集乃是大事，左宗棠極為重視，他廣辟糧源，四出采購。又指示“嵩武軍”在哈密大興軍屯，以謀自給。同時還指示部下處理好“軍食”與“民食”的關系，避免竭澤而漁，與民爭食。當軍事行動開始時，已籌到軍糧4000余萬斤。
西北用兵，自然條件惡劣，運輸極為困難。滿載軍需物資的車輛、牲畜經戈壁，涉沙漠，穿峽谷，翻天山，越河流，踏泥沼，艱難險阻，可想而知！當時調集的運輸工具計有：大車5000余輛，驢騾5500余頭，駱駝29000余頭，連作戰的士兵也不得不參與運輸，除自攜武器、裝備外，還要背負壹部分糧食。
籌餉是左宗棠最頭疼的事。當時清政府財政入不敷出，捉襟見肘，不但中央“部藏無余”，地方也“庫儲告匱”。左宗棠為籌措軍餉傷透腦筋，“晝夜焦思，無從設措”，“繞帳仿徨，不知所已”。為擺脫困境，他只好咬牙去借外債。洋人借機敲詐，利息竟高達壹分二厘五，超過英、法當時貸款利息的三倍多，利息總數竟超過了借款數的壹半，所以《申報》批評此種貸款是“剜肉補瘡”、“飲鴆止渴”。左宗棠自己也非常痛心,他給朋友寫信說：“夫用兵而至借餉，借餉而議及洋款，仰鼻息於外人，其不兢也，其無恥也，臣之罪也！”但為了使新疆重回祖國懷抱，權衡利弊得失，左宗棠只得忍痛吞下這個苦果。最後，清政府批準他借外債300萬兩，同時從海關劃撥200萬兩，要求各省、關再湊足300萬兩，總計1000萬兩，算是暫時解決了軍費難題。
左宗棠收復新疆的基本戰略戰術是“先北後南，緩進速戰”，即根據敵人重南輕北的部署，首先攻擊阿古柏的“軟肋”；在戰役發動前，認真做好各項準備工作，戰鬥壹旦打響就速戰速決，決不拖泥帶水。同時，左宗棠還強調了收復失地的正義性質：“西征用兵，以復舊疆為義，非有爭奪之心”，要求將士“以王土王民為念”，嚴肅軍紀，嚴禁擾民。此外，又制訂了正確的俘虜政策，對被裹脅者“均給以衣糧，縱令各歸原部”，使敵軍本已不穩的軍心更加渙散，加速了阿古柏政權的崩潰。
南疆收復之後，左宗棠立即著手收復伊犁地區。沙俄當然不肯輕易放棄到手的“肥肉”，它壹面強迫清朝使臣崇厚簽訂了喪權辱國的《裏瓦基亞條約》，壹面又集結兵力，調動艦隊，進行武力恫嚇。面對沙俄的挑戰，年近古稀（69歲）的左宗棠老當益壯、大義凜然。他秣馬厲兵，擬訂了三路出兵收復伊犁的作戰計劃，同時，又“輿櫬出關”，把大營從肅州（今酒泉）遷到前敵的哈密，做好了捐軀沙場的壹切準備。不過，清政府卻沒有與沙俄抗衡到底的決心與勇氣，最終與俄國簽訂了《伊犁條約》。由於談判代表曾紀澤的外交努力和左宗棠的積極備戰，伊犁地區的大部分歸回祖國懷抱，但仍有霍爾果斯河以西壹萬多平方公裏的土地淪為異域。此外，清政府還支付了壹筆900萬盧布的所謂“賠償費”。
收復新疆是左宗棠壹生的得意之筆，這壹壯舉不但為全體中國人所贊嘆，也得到某些外國有識之士的高度評價。壹百多年前，有位叫史密斯的美國人在1890年出版了壹部名為《中國人的氣質》的書，在評價左宗棠收復新疆之役時，曾說：“左宗棠的‘農墾大軍’徹底完成了它的使命，其偉績可以這樣評價：在任何現代國家的史冊上都是最卓著的。”
左宗棠的朋友和部下楊昌濬也曾賦詩壹首，歌頌這壹偉業，詩雲：“大將籌邊尚未還，湖湘子弟滿天山，新栽楊柳三千裏，引得春風度玉關”。這首詩改造了唐人王之渙《涼州詞》裏的佳句“羌笛何須怨楊柳，春風不度玉門關”，並賦予了新的意境。西征的清朝大軍正是沿著夾道成蔭的“左公柳”，把春天帶到了邊塞，讓春風吹到了玉門關外！