1869年秋，北路清军刘松山部进抵灵州，9月8日攻占吴忠堡东西的郭家桥。中路清军则由固原、平凉北进，左宗棠进驻平凉，从而形成对金积堡的大包围态势。
在南线，清中路军占领预望城、黑城子、李旺堡等村堡，守卫该地区的陕西回乱军队被迫向西撤离。甘肃回乱军马万春部无法阻止清军前进，同心城、韦州堡一带回乱军大部投降清军。中路清军于11月中旬进至金积堡西南秦渠一带，距金积堡仅5公里。
北路刘松山部在中路清军策应下，夺取灵州城，打通了后路，从而完成了对金积堡地区的包围。
从12月起，清军在金积堡外围与起义军展开了激烈的争夺战。清军采取步步为营的方针，相继攻占了吴忠堡周围和金积堡北面的堡寨。回族乱军依托秦汉二渠，挖壕筑墙，步兵凭墙防守，骑兵则主动出击，忽东忽西，不断袭击敌人。总兵简敬临率楚军突入乱军阵地，被乱军包围，士卒死伤甚众，简敬临等也被击毙。
但是，回乱军的处境非常困难。金积堡东西两面的险要地永宁洞和峡口均落入清军之手。峡口在堡的西面，是黄河青铜峡口，也是秦汉二渠的渠口，永宁洞是山水沟（今山水河）通过秦渠涵洞的地方，秦汉二渠在此汇合，北流至黄河。
1870年2月12日，河西地区的回民乱军从河西履水过河增援，夺回峡口，并打败前来进攻的清军。
与此同时，回民乱军在永宁洞方向也发动进攻。
1870年2月9日晚，回民乱军千余人从金积堡东南突然进至秦渠南，占领石家庄和马五寨几个村堡，抢修防御工事。石家庄扼秦渠之要。刘松山得知石家庄被占，连夜率部来攻。回民乱军退至马五寨继续抗击。2月14日，刘松山在进攻马五寨时中弹而死。
清军进攻连连受挫，士气日低，回民乱军乘机发动反攻。回民乱军一部由马正纲率领由宁州、正宁进入陕西三水，马朝元也率部由金积堡出宁条梁（今陕西靖边西），两支队伍在甘泉会合，东攻韩城、郃阳。与马化龙有联系的河州、狄道回民乱军也攻占渭源，直逼巩昌，使甘肃战局为之一变。形势对回民乱军十分有利。
但是，由于回民乱军缺乏统一的领导和指挥，各自行动，不能有效地协同配合，所以有利形势逐渐丧失。进入陕西的回民乱军在清军的追堵下，力量受到很大削弱，只得退回甘肃。在金积堡地区，回民乱军头子马化龙在孤立无援的情况下，同时为避免清军屠城惨剧的发生，先后多次表示愿意投降朝廷，但遭到拒绝。回民乱军没有集中兵力给敌人以致命打击，对永宁洞水口的几次进攻也未得手，使得清军得以喘息。
