左宗棠奉命督办新疆军务，可以说是为中国近代反对外国侵略斗争史揭开了新的一幕。在当时的情况下，能够承担起收复新疆重任的唯有左宗棠。对此，就是左宗棠本人也是十分清楚的。他在家书中说：
现奉谕旨督办新疆军务，应预筹出关驻节。衰病余生，何能担荷重任？惟密谕“英、俄有暗约扰我西路之说，英由印度窥滇之腾越，俄窥喀什噶尔，使我首尾不能顾”。……此时西事无可恃之人，我断无推卸之理，不得不一力承当。
左宗棠预筹出关的举措主要包括进行军事部署和充分考虑、实施后勤保障问题两个方面。
在军事部署方面，左宗棠注意从制订战略战术计划和整顿营伍以提高战斗力两点入手。还在左宗棠被任命为督办新疆军务前的有关加强塞防的奏折和函牍中，他已陈明先歼灭阿古柏匪帮，然后索还伊犁的战略构想。他还认为实现收复除伊犁外的新疆领土的第一个战略目标应分为两步走，即首先平定北疆，接着再底定南疆。他分析新疆地形时说：“天山南北两路”，“北可制南，南不能制北”。①他督办新疆军务后，认为必须布署周妥，乃可定师期，令刘锦棠“自定出关马步二十余营，以缓进速战为义”。②左宗棠召集各军“分统来兰会商办法”③，共同讨论军事问题。随后，左宗棠确定了消灭阿古柏势力的具体步骤。他指出：“此次进兵，先北路而后南路。如大军攻剿古牧地乌垣、红庙一带，帕夏敢赴北路之援，官军猛打数仗，自可挫其凶锋。将来下兵南路，声威已张，或易著手。”④“官军出塞，自宜先剿北路乌鲁木齐各处之贼，而后加兵南路。当北路进兵时，安集延或悉其丑类与陕甘窜逆及上回合势死抗官军，当有数大恶仗。如天之福，事机顺利，白逆歼除，安集延之悍贼亦多就戮，由此而下兵南路，其势较易。是致力于北而收功于南也。”⑤在进行战斗部署的同时，左宗棠还依照“整军乃能经武”的古训，一面对已出关和准备出关的军队予以整顿，将金顺、景廉、穆图善等部加以裁并，一面强调“精择出关之将”，任用“英锐果敏，才气无双”的刘锦棠总理行营事务，对其他“统领、营哨各员，均酌简相信员弁乐事赴功者用之”，⑥并对各军严加训练。
在筹划军队的后勤保障方面，左宗棠把精力主要用在筹粮、筹饷和筹转运上面。左宗棠认为行军打仗离不开粮食的供给。他说：“师行粮随，事豫则立。”因此，“师行北路，宜用北路之粮，不但节费，亦免粮耗。”他建议北路于归化（今呼和浩特市）设立北局，南路以肃州（今酒泉市）为南局，负责北、南两路的粮食补给。他还命令已出关各军在巴里坤、哈密等地办理采粮、开垦，并对“蒿武军”统领张曜“在哈密办屯垦水利，事必躬亲，不惜劳瘁”的做法给以肯定，认为“以后踵而行之，固此奥区，保绥戎藩，可成数十百年无穷之利。”①左宗棠为筹饷问题在议论海防、塞防两者并重时强调应保障西征用饷。西征军的军费每年支出约800万两，但实际收到的各省协饷只有500万两。后来“各省之协济洋防者，又皆以洋防为急、塞防为缓”，以致西证军“出款日增，入款大减”，光绪元年西征军“每年只发一月满饷”。②因此他多次上奏请求敕下各省如数拨解协饷，并主张暂借洋款以补不足。西征军饷源匮缺的情况受到清廷重视。光绪二年（1876年）三月左宗棠督率大军出关之际，清廷发布“上谕”称，“左宗棠出师塞外，必须士饱马腾，方足以壮军威而张挞伐。各营将士踊跃前驱，尤深廑念。各省协解西征饷银未能足数，致有积欠口粮。此次远道进兵，粮饷必须充裕。……加恩着于户部库存四成洋税项下拨给银二百万两，并准其借用洋款五百万两，各省应解西征协饷提前拨解三百万两，以足一千万两之数。”①左宗棠对此“感激涕零”，“不能自己！”②出征将士总算有了物质上的保障。除筹粮、筹饷之外，左宗棠还十分重视粮食和军火物资的转运问题。西征之师须驰骋数千里，筹划转运也并非易事。左宗棠主张关内运粮以车驼为主，关外则以驼运为主，解决了粮食转运的难题。他还通过上海采办转运局、汉口后路总粮台、西安总粮台等转运军火物资，并由兰州机器局自造枪炮供应前线。
经过近一年的积极备战，左宗棠于光绪二年二月二十一日（1876 年 3 月16 日）离开兰州西进，三月十三日（4 月 7 日）抵达肃州（今酒泉市），就近指挥收复新疆的战略决战。
从四月初开始，左宗棠与刘锦棠“熟商进兵机宜”之后，令刘“率各营长驱大进”③，开赴新疆哈密，旋进至古城。五月，“蜀军”徐占彪部出关进驻巴里坤。此时，张曜部“蒿武军”已先期驻扎哈密，金顺所辖军队在济木萨、古城一带活动。左宗棠目送出关各军，心情格外激动。他说：“前军已陆续开拔，大约五月内始有战事。万里长驱，每营仅发四个月盐菜，无却步者，忠哉我军。”④“出塞诸军，英气勃勃”⑤，这正是对为保卫祖国领土而挺进新疆的西征军出关情形的真实写照！
左宗棠规复新疆的第一个战略目标是进取北路乌鲁木齐、玛纳斯二城，重点是攻克乌鲁木齐。
新疆北路被阿古柏匪帮侵占后，原陕西回军的首领白彦虎从甘肃逃至新疆投入阿古柏的怀抱，成为民族败类。阿古柏盘踞南疆，在北疆则委派所谓的乌鲁木齐阿奇木伯克马人得联合白彦虎代行其统治，据有乌鲁木齐和玛纳斯等城，其主要兵力集中于乌鲁木齐东北面的古牧地。
此时，先后出关的西征大军已由东向西依次进驻哈密、巴里坤、古城、济木萨。左宗棠认为，金顺驻军济木萨，距乌鲁木齐尚远，“贼之精锐多在古牧地，是处距阜康县城九十里”。因此他命令刘锦棠“到济木萨后，以大队径驻阜康县城，出队捣古牧地。此关一开，则乌垣红庙子贼不能稳抗，白逆必窜吐鲁番，以寻去路”。①根据左宗棠的部署，刘锦棠带轻骑至济木萨金顺行营，商定进兵方略。然后，刘锦棠返回古城，率湘军马步各营于六月初一日（7 月 21 日）抵济木萨。刘锦棠、金顺二军会合后，均于六月初八进至阜康。白彦虎知悉清军已兵临古牧地附近后，便从乌鲁木齐移踞于此，试图负隅顽抗。阿古柏也从南疆调遣援军前来助战。刘锦棠于八月二十一日潜师夜赴，会金顺所部，进袭黄田。由于“官军奋威猛击”，二十二日“攻拔黄田坚卡”。二十三日，刘锦棠派营分扎古牧地城正东及东北面。次日，大军开始攻城，各营“士气愈奋，皆冒枪炮斩关而入，立将城关攻破”。二十七日，刘锦棠、金顺饬所部各营急攻，于第二天攻克古牧地城。白彦虎带领残部向南疆逃窜。刘锦棠乘势于八月二十九日（10 月 16 日）直捣乌鲁木齐。这样，被左宗棠视为“新疆关键”①的乌鲁木齐回到了祖国的怀抱。刘锦棠、金顺会同署伊犁将军荣全派兵于九月二十一日（11 月 6 日）又乘势克复玛纳斯城。阿古柏匪帮在北疆的势力被全部驱除。
① 《与宽勋同》，《左宗棠全集》诗文·家书，第 193—194 页。
① 《复陈海防塞防及关外剿抚粮运情形折》，《左宗棠全集》奏稿，第 6 册，第 191 页。
② 《答曾沅浦》，《左文襄公全集》书牍，卷一五，页三九。
③ 《答刘岘庄》，《左文襄公全集》书牍，卷一五，页四○。
④ 《答张郎斋》，《左文襄公全集》书牍，卷一六，页二○。
⑤ 《新疆贼势大概片》，《左宗棠全集》奏稿，第 6 册，第 421 页。
⑥ 《请敕两江迅解老湘全军月饷片》，《左宗棠全集》奏稿，第 6 册，第 330 页。
① 《督办新疆军务敬陈等画情形折》，《左宗棠全集》奏稿，第 6 册，第 288—289 页。
② 《清敕各省匀济饷需片》，《左宗棠全集》奏稿，第 6 册，第 328—329 页。
① 《钦奉恩谕拟缓借洋款折》，《左宗棠全集》奏稿，第 6 册，第 461 页。
② 《钦奉恩谕拟缓借洋款折》，《左宗棠全集》奏稿，第 6 册，第 462 页。
③ 《驰抵肃州各军分起出关折》，《左宗棠全集》奏稿，第 6 册，第 458 页。
④ 《与杨石泉》，《左文襄公全集》书牍，卷一六，页一五。
⑤ 《与雷纬堂提军》，《左文襄公全集》书牍，卷一六，页一六。
① 《答刘克庵》，《左文襄公全集》书牍，卷一六，页二九至三○。
① 《会师攻拔古牧地坚巢克复乌鲁木齐迪化州城大慨情形折》，《左宗棠全集》奏稿，第 6 册，第 491—494 页。