1月24日徐、陈电告军委：“我方基本上坚决执行东进计划，但因情况变化，可能折转西进，或取民勤抢占定远营，或绕道大通再到西宁或平番。”此电全文载《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第552～553页。军委当即电复西路军：你们行动方针，以便利击敌保存实力为目的，行动方向由你们自决。“如你们决定东进我们是赞成的，当派三十二军三十二军：原红一方面军第九军团，1935年7月改称红三十二军，编入左路军，并随红四方面军行动，1936年7月划归红二方面军建制。是时，由罗炳辉任军长，袁任远任政治委员，下辖第二八〇、二八二、二八六团。、二十八军二十八军：1935年10月中央红军长征到陕甘地区后，由陕甘各地红军游击队合编而成，刘志丹任军长，宋仁穷任政治委员，下辖第二五〇、二五一、二五二团和骑兵团。1936年3月东征山西时刘志丹牺牲，由宋时轮接任军长。适时到靖远河边，策应你们过河”，“为便利作战计划，彩病、小孩妇女望设法就地安置”，应“集结全军，切忌分散，用坚决战斗来完成东进”。见《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第554页。
同时，中央电示在南京的潘汉年转告蒋介石：西路军东进，并非增援西安，而是就粮困难；如蒋令马家军停止进攻，让出凉州及其各城给西路军，使该军有粮可食，即可停止东进。此电文载《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第544～545页。
1月27日，敌马元海令其第一百师手枪团和青海省宪兵团向西洞堡红军阵地袭来。敌步骑配合，分左右两翼围攻。三十军政委李先念见敌人兵力不多，提议组织反击，歼其宪兵团一路。徐向前在电话里详细询问了敌情和三十军的作战计划，高兴地说：“我批准你们的计划，命令部队出击！”
下午3时许，以八十八师、八十九师为主力的出击部队，在响亮的军号声中冲出围庄，向敌宪兵团猛扑，将其包围在空旷的戈壁滩上。敌左翼骑兵部队见西路军突然出击，慌了手脚，快马加鞭，一哄而逃。徐向前令三十军争取时间，速战速决，全歼敌人。敌宪兵团虽全是日式装备，但兵员多系缺乏实战经验的青年学生，突遭猛虎般的西路军指战员的包围和袭击，早已吓得晕头转向，不到四个小时，战斗即胜利结束，800多敌人被歼，红军共缴枪1200余支，并获被服、军毯、罐头等大批军用物资。但此时发现西路军企图东进的马步芳，已在东面调集重兵堵截。徐向前、陈昌浩考虑，西路军立即东进危险甚大，决定暂回倪家营子，伺机行动。
1月29日，马元海电告马步芳：红军大部离开甘新公路进入甘州南的倪家营子，占堡寨43处，星罗棋布于周围十里之地，总人数约有1.3万人。马步芳急于消灭红军，向蒋介石邀功请赏，遂将其防堵红军的主力及大量民团，火速向倪家营子地区集中，对西路军展开了全面围攻。从2月1日起，敌先后投入的围攻兵力有六个步骑兵旅及大量反动民团，共七万多人。西路军以寡敌众，与敌展开了一场为期40天的大血战。
西路军总指挥部设在下营子中心地带的一个坚固屯庄——廖家屯（庄）廖家屯庄：应为缪家屯庄。中共甘肃省委党史委所编《悲壮的征程》之“大事记”记载：西路军总部进驻倪家营子后，“总部设在缪家屯庄”。中共张掖地委党史委所编《红西路军史料》第4辑所载临泽县委党史办的文章说：红军在倪家营设了几道防线，“缪德荣屯庄为第三道防线”。。徐向前为集中兵力，形成拳头，将部队收缩在下营子地区，以三十军扼守西南方向，九军扼守东北方向，两军阵地相接，构成了一个椭圆形的坚固防御体系。敌人的马队整天潮水似的向西路军的阵地不停地冲击。五颜六色的黑马营、花马营、白马营、红马营的骑兵，奔驰在戈壁滩上，发出震人肺腑的嘶鸣，冲上来又退下去，退下去又冲上来，用白布裹着脑袋、蓄着络腮胡子、穿着羊皮袄的马家军，醉汉似的哇哇乱叫，挥舞着马刀，不断地冲锋。他们疯狂、残忍、野蛮至极，不分男女老幼，见人就砍。
西路军的指战员们，胸中燃烧着杀敌复仇的怒火，以压倒一切敌人的英雄气概，与敌人血战，“一片土地一片血，一个战士一团火”。每个屯庄周围，每个指战员的面前，都是埋葬敌人的坟场。他们的子弹打光了，就用大刀、长矛、木棍、石头、树杈同敌人拼搏。围墙被炮火轰塌了，血肉就是屏障，前面的人倒下去，后面的堵上来，负伤倒在地上了，仍握紧武器，单等敌人来到跟前，拼上最后的力气搏杀。武器没有了，就抱住敌人用牙齿咬，用手撕，拔掉敌人的胡子，扼住敌人的喉咙，咬掉敌人的耳朵、鼻子、手指。在这块战场上，没有男和女、中壮年和青少年、轻伤员和重伤员、战斗人员和勤杂人员的区别，人人都是威武不屈的战士，他们用生命、理想迸发出的全部力量，以一当十，以百当千，与数倍于己的敌军反复拼搏，日夜厮杀。
红三十军二六三团九连的130多人，坚守在前沿阵地的一个屯庄里，从拂晓战斗到黄昏，全连最后只剩下9个人，而阵地却巍然屹立。著名的“夜老虎”团，侦知敌人在雷家屯（庄）存放着大批弹药武器，他们派一个排，借着夜色的掩护，神不知鬼
不觉地穿过敌人的阵地，翻进了雷家屯的围墙，守敌一个排尚未清醒过来，即被全歼。敌军火共有24车，被战士们通通点燃，爆炸声震天动地。
血战在继续，谁也难以预料战斗结束的时日。徐向前忧心忡忡，彻夜难眠。他的眼睛熬红了，面容愈加消瘦，脸色像铁石般的青硬。他从得到的情报和敌人进攻的凶焰判断，短期内敌人是不会停止攻势的。这样坚持下去，胜利的希望十分渺茫，危险甚大。总指挥部的所在地廖家屯屡遭敌人骑兵的袭扰。白天，徐向前除了用电话和电台指挥各部队抗击敌人外，经常要到屯庄的望楼和围墙上，观察敌人的动静，检查防御工事，鼓励指战员们保卫阵地。夜晚，他大都在电话机旁或电台旁踱来踱去，及时综合战斗情报，反复思索、分析、判断，设想着种种摆脱危境的方案。
战至2月中旬，西路军在倪家营子先后击退敌人的大规模进攻达八九次之多，总计毙伤敌万余人，取得了惊人的战绩。但西路军自身伤亡亦大，兵力已不足万人，彩病号占三分之一。军政委员会讨论了当时的处境和行动方针，除陈昌浩外，一致支持徐向前的突围自救的意见，最后陈昌浩才勉强作出了突围的决定。
西路军突围进至威狄堡地区，又受敌阻。徐向前主张向祁连山转移，但陈昌浩反对所谓“右倾逃跑”，又决定连夜回师，继续固守倪家营子，这就注定了它最后失败的命运。
许多指战员对于一会儿东开，一会儿西进，迷惑不解。徐向前判断：西路军重返倪家营子，敌人势必迅速合围和猛攻，以求短期内歼灭西路军，他号召部队作最困难的准备，想尽一切办法搜集粮食、用水，众志成城，战胜困难，在绝境中求胜利。同时，和陈昌浩数电党中央，请求火速派部队西进来援。
敌人的围攻又开始了，他们依仗众多的兵力，对西路军层层包围，多路突击。许多屯庄的围墙、房屋已残破不堪，西路军指战员依仗断垣残壁坚守，伤亡越来越大，形势越来越险恶。敌人的进攻，不仅限于前沿屯庄，而且往往直插纵深，对红军心脏地区和后方的屯庄，进行包围和突袭。廖家屯仍是徐向前和总指挥部的所在地，也屡遭敌人围攻，在最危急的时刻，徐向前上到房顶，指挥战斗。他从这个房顶跳到那个房顶，指挥部队打击冲进屯庄的敌人。那矫健的身影，沉着威严的气概，激励着指战员们英勇杀敌。
2月24日，西路军电告中央军委：“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，西进不可能时，东进亦不可能。”请求军委派8个团以上的兵力，西进向凉州地区进攻，以救援西路军。“不然我们只有抱全部牺牲决心，在此战至最后一滴血而已。”26日，军委主席团复电：“甲、固守五十天。乙、我们正用各种有效方法援助你们。”以上二电，见《中国工农红军西路军·文献卷》上卷第582～584页。
经七昼夜血战，陈昌浩眼看部队损伤惨重，待援又无希望，这才和徐向前一同下决心，下令再次突围，向祁连山转移。陈昌浩这时也痛切地感到，重返倪家营子是最大的失策。徐向前没有埋怨他，风雨同舟，患难与共。在这种时候，两位领导人之间的紧密团结与合作，比什么都重要。
中共中央和军委对西路军的危难处境，极为忧虑。除紧急指示在西安谈判的周恩来强烈申述中共中央的严正要求，要蒋介石履行诺言，勒令“二马”立即停攻西路军外，于2月27日决定组成援西军，委任刘伯承为司令员，张浩为政委，出兵增援西路军；但指示以不影响和平大局，不使增援军又陷入困境为前提。3月5日，军委命令援西军从淳化、三原出动，向镇原方向开进。周恩来也在西安向顾祝同申明了援西军西进的理由，要国民党政府从两党共同抗日的大局出发，令二马立即停止进攻西路军。但这时显然已无法扭转局势了。
西路军从倪家营子再次突围后，急速转移到临泽以南的三道流沟三道流沟：应为三道柳沟。地区，又被大批追敌包围。三道流沟是由东、南、西三条低洼的古流水沟形成的一块狭长地带，每条流沟里都坐落着一些稀疏的堡寨和房屋。流沟周围，多是戈壁滩和沙漠。被围在这里，大家已精疲力竭，听到军委已派出援西军的喜讯，无不高兴。徐向前、陈昌浩决心坚守防御，“死斗待援”。近8000人被围困分割在三条流沟里，整天被敌用“羊群式”的战术，轮番猛攻。太阳被硝烟尘土掩得暗淡无光，战地处处是刀光、血影和凄厉的马嘶声、喊杀声、爆炸声、枪炮声。待援无望，激战五天后，徐向前和陈昌浩命令部队突围，向祁连山里转移。
夜幕低垂，北风呼啸。积雪覆盖着的祁连山麓，无声无息地蜷伏着。敌人的宿营地里，篝火熊熊，人影憧憧。黎明时分，西路军的大队进入梨园口。徐向前将九军的两个团部署在山口的两端，卡住大门，三十军的两个团部署在二线，顶在中间，总指挥部和其余部队住梨园堡梨园堡：位于梨园口内，是临泽县最南端的一个村子。，拟稍加休整后沿着峡谷转进深山老林，坚持斗争。
年仅25岁的九军政委陈海松，指挥队伍经过屡次血战，虽然还保持着两个团的建制，但实际上合计不到1000人。进入梨园口后，他不顾连夜急行军的疲劳，一会儿爬上这个山头，一会儿又爬到那个山头，不断察看阵地，部署部队完成把守山口、掩护全军的光荣任务。一轮红日高高升起的时候，远处的地平线上，突然卷起了滚滚烟尘。霎时间，大量运动的敌军快速骑兵，采取迂回包抄的战术，从山前、山后、山左、山右兜了过来。这里的山包既不高，又不陡，敌人的骑兵在山地运动，如履平地，一个冲锋就能直接窜到山顶上。九军的阵地，被敌骑冲得七零八落。经几个小时的血战，陈海松政委和七八百名指战员，全部壮烈牺牲。
这时，三十军的二六三团、二六四团为掩护总指挥部和其余部队，也正在自己的阵地上与敌激战。二六四团被敌压迫在一道峡谷里，二六三团被分割到另一条山梁上，都和马家军扭成一团。大刀砍卷了，刺刀折断了，子弹打光了，喉咙嘶哑了，鲜血染红了峡谷。战士们衣服撕扯成碎片，几乎一丝不挂，在同敌人扭打、撕咬、格斗，抱住敌人，一同滚下山崖。二六四团全部拼光，二六三团也大部牺牲。他们宁死不屈，用鲜血和生命保卫了总指挥部和兄弟部队的安全。
3月12日，中央电示，为保存现有力量，西路军一是冲向蒙古边境，一是就地分散游击。黄昏时分，徐向前带着西路军仅剩的3000多人，边打边撤，13日进入山里的康龙寺地区。翌日，敌追兵又至。徐向前一直指挥在战斗的第一线。经一场血战，担任掩护任务的二六五团和二六七团又遭重大损失。部队被敌人冲散，已不成建制，纷纷越过他的指挥位置，向祁连山上败走。
这时，陈昌浩正以西路军军政委员会主席的身份，在康龙寺南石窝山顶召开有部分领导人参加的紧急会议。会议讨论确定的问题是：（1）现有部队分散游击，坚持斗争；（2）徐（向前）、陈（昌浩）脱离部队，返回陕北向党中央汇报情况；（3）组成西路军工作委员会，统一领导各支队的行动。会议进行的中途，陈昌浩派人找徐向前到会。徐向前略为安顿了一下队伍，匆忙赶到集会地点。他满脑子还是战场上生死搏斗的情景，对于这次会议提出的三个问题，毫无思想准备。然而陈昌浩却宣布，军政委员会关于上述三个问题已决定了。