从1月中旬起，西路军即遭马家军的不断包围和袭击，损失重大，最后全部集结于倪家营子地区的43个屯庄，共1万余人，准备稍加休整即东返。23日，徐、陈致电中央和军委：因敌正防我东进，我快行不易，部队需稍加休整，行前争取在现地或路上乘机击敌，以利东进。25日，军委电示西路军：在骑兵追堵下，欲图急进避战达到东进目的，危险较大，应集结全军，切忌分散，用坚决的战斗来完成东进任务。与此同时，中映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；如蒋令马步芳停止进攻，让出凉州及其以西各城给西路军，使该军有粮可食，即停止东进。

    马步青、马步芳发现西路军收缩兵力，企图东进后，从1月28日起，先后投入步骑兵及民团共7万余人，向西路军进攻。西路军英勇抵抗，在倪家营子地区展开了一场20多天的血战。

    2月中旬，中共中央为避免加剧西安地区的紧张局势，争取与蒋介石达成和平谈判协议，电令西路军放弃东进计划，依靠自身力量，就地坚持，粉碎马家军的进攻，适时完成西进任务。并对西路军领导人提出的出青海大通、西宁一带活动的建议提出批评，在2月17日的电报中指出：“你们(对)过去所犯的政治错误，究竟有何种程度的认识呢?何种程度的自我批评与何种程度的转变呢?我们认为今后的胜利是与过去政治错误的正确认识与彻底转变是有关系的。”

    2月21日，西路军为自救计，突围成功。遂进至西洞堡、龙首堡一线。但是，东进并无中央的命令，西路军军政委员会主席陈昌浩有顾虑，遂决定重返倪家营子。26日返回倪家营子后，重新陷入敌人的重兵围攻之中。

    为了支援、解救危急中的西路军，中共中央和毛泽东多次致电在西安同国民党代表谈判的周恩来、叶剑英等，要他们申明中共的正当要求，要蒋介石履行诺言，立即令二马停止进攻西路军。同时，中共中央和军委于2月27日决定以第四、第三十一、第二十八、第三十二军和骑兵第一团组成西援军，在司令员刘伯承、政治委员张浩率领下，准备西进增援。然而，这些努力均未奏效。

    3月上旬，西路军在倪家营子激战之后，再次突围而出。进至临泽以南的三道流沟地区又被敌人包围，激战5昼夜，于11日突围后又在梨园口遭敌重创，兵力已不满3000人。1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。14日晚，西路军军政委员会召开石窝会议，决定徐、陈离队回陕北向中央汇报情况，余部分3个支队就地游击。至此，艰苦转战4个多月的西路军，终于兵败祁连山。后来，西路军余部七八百人在李先念率领下，沿祁连山西进，经40余天的转战，剩下400余人，抵达新疆，受到中央代表陈云、滕代远等的迎接。

    徐向前和陈昌浩离开西路军，于3月16日启程东返。途中历尽艰险，到达延安时只剩徐向前一人。一到延安，毛泽东就接见了他。毛泽东简单问过西路军的情况后，说：留得青山在，不怕没柴烧。你能回来就好，有鸡就有蛋。徐向前向毛泽东建议，再派人找一找陈昌浩，毛泽东表示同意，但一直没找到。原来他在途中留住一位老乡家，大病一场后转回湖北老家，直到抗日战争爆发后才回到延安。

    西路军在极端困难的条件下，转战4个多月，先后共歼敌2．5万余人，表现了大无畏的革命英雄气概和牺牲精神。从开始执行宁夏战役计划，渡河北进，试图打通外蒙古和苏联，到后来放弃北进计划，执行西进任务，策应河东红军和友军，促进西安事变和平解决，西路军都是坚决贯彻了中共中央、中革军委和毛泽东的战略意图的。

    中共中央和毛泽东最初派红四方面军主力西渡黄河，是从打通国际路线的战略目的来考虑的。但当西路军失败的消息传来时，西安方面的问题也和平解决，十年内战的历史宣告结束。到这时，打通国际路线已成为不必要的了。此后，毛泽东在为同国民党谈判操劳的同时，领导红军从教育训练、培养干部、加强团结、清剿土匪、巩固后方等方面，为迎接抗日高潮的到来，进行对日作战作了大量的准备。