血战倪家营、临泽，东返又西进
西路军进入临高地区后，马家军主力5个骑兵旅、2个步兵团和炮兵团及大量民团约3万多人，配合以飞机、大炮，在马元海的率领下，立即蜂拥而来，将西路军各部分割包围。在敌人集中优势兵力围攻高台的同时，又以2个旅和部分民团约万余人向九军、三十军发起进攻。
1月3日，西路军总部进驻倪家营后，敌人即尾追而至，包围了倪家营，与西路军多次发生战斗。敌人不断地向西路军阵地发起进攻，西路军各部利用土围子上的垛口作掩体，又在院墙上及住房内挖枪眼，院子外面构筑工事，还收集了许多石头作武器。
随着战斗的发展，困难也越来越多，手榴弹也快没有了，步枪、机枪缺少子弹，战斗减员加快，伤员越来越多，药品早就没有了。但久经战火考验的红军，在困难面前毫无惧色，以一当十，英勇地一次又一次地打退强敌的进攻，在倪家营坚守了20余天。
董振堂率部前往高台的时候，红五军政委黄超率三十七团、四十三团留守临泽。随同五军进驻临泽的还有由川陕苏区随军迁来的总部炸弹厂、被服厂及直属机关和九军的一支掩护部队。总部直属机关缺乏战斗力，因此驻扎在临泽县城里，五军主力部队则分布在城西南二三里路的几个庄子中。
马家军攻占高台后气焰嚣张，复掉头转攻临泽，以一部兵力攻击城外五军军部阵地，以一个多旅的兵力猛扑临泽县城。1月22日，马元海督兵到临泽县城外，组织人马进攻。在临泽外围，战斗整整进行了一天。红三十七团、四十三团和红九军的一部，死死地坚守临泽附近的村庄，打退了敌人无数次的强攻。之后，奉西路军总指挥部命令，五军余部趁夜突围，撤离临泽阵地，东返与红三十军会合。
在分割包围进攻红军各部的同时，敌人也向临泽县城开始了进攻。驻守在临泽县城的主要是总部的后勤部门，这是西路军的生命线。城内除了仅有的一个警卫连经历过一些战斗以外，其他都是缺乏实战经验的干部和几百个女同志及勤杂人员，在这种敌我力量悬殊的情况下，要守住临泽城，困难是非常大的。
在临泽城里的西路军最高领导人是后勤部部长郑义斋和负责群众工作的军政委员会委员熊国炳。郑义斋命令总部四局科长秦基伟负责组织城内机关部队坚守城墙。秦基伟把所有的人，不论干部战士、不分男女，统一按战斗需要编成班、排、连。男同志负责坚守城墙，女同志负责做饭、看护伤兵和捡石头当武器。
警卫连两个排分别坚守几个容易被敌人突破的城门楼，一个排由秦基伟和警卫连长亲自掌握，作为机动部队。1月22日拂晓，敌人的攻击开始了。他们先用山炮拼命地轰击城墙，几分钟后，城墙的胸墙被轰开了一个口子，接着便抬着梯子，挥舞着马刀，成营成团地向缺口涌来。
战斗持续了两天，守城部队的弹药越来越少了。第三天，敌人向临泽城发动了更疯狂的攻击。敌人的炮兵拼命地轰击城墙，骑兵、步兵在城外呐喊着不时地往上冲。守城官兵一齐涌上城墙，顽强抵抗。敌人在城东北方向一个缺口上架起了四五架云梯，守卫这里的战士用长矛、石块与爬在梯子上的敌人拼杀。秦基伟带警卫连赶到后，发起反击，打退了敌人进攻。
就在守城的西路军指战员浴血奋战的时候，西路军总指挥部命令他们转移，与三十军会合。当天夜里，守城部队留下警卫连的两个班继续在城内牵制敌人，其余的把骡马的蹄子绑上布和棉花，趁风雪之夜撤离了苦战三天的临泽城，在九军掩护部队的接应下，向驻倪家营的红三十军靠拢。
西路军在临泽、高台地区创建根据地之时，1937年1月16日，军委主席团给西路军发来一封长电，通报了国内形势的发展变化，要求西路军以自己的力量战胜二马，在经过一个时期的休整后，进军方向有两个方面，主力向东打敌，一部占领安西，基点在创立甘北根据地。中央的电报，又一次提出了西路军东进的问题。
中央要西路军东返的电报发出时，正是西路军各部在临高地带与敌激战之时。对于执行中央的东进命令，西路军内部意见一致，因为谁都明白，要么西进，要么东进，蹲在现地被动挨打，绝无出路。接到军委指示，西路军在经过几天的准备后，决定东返。
1月23日9时，西路军将高台失利的消息报告军委，并通报了准备东返的情况。马步芳、马步青察觉西路军收缩兵力，有东返迹象后，火速集中兵力防堵。先调骑五师马禄旅东撤堵防，后部署韩起功旅固守甘州及沙河堡，配备民国固守高台城，其余马彪旅、马步康旅机动分散，袭击红军。
1月24日，徐、陈致电军委，通报敌情，汇报西路军正在西洞堡、龙首堡一线休整，为东返做准备和面临的困难。同日，军委回电，明确指示西路军：“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、二十八军适时到靖远河边策应你们过河。”
1月21日，西路军从倪家营突出重围，向南转移，准备绕道张掖以南地区东返。24日，西路军到达张掖西南的龙首堡、西洞堡一带。1月26日，敌第一百师手枪团团长马玉龙督率该团1500多人及青海省宪兵团1300余人追击到西洞堡村。红三十军决定反击这股敌人。
徐向前果断批准了三十军提出的作战计划，命令部队出击。下午3时许，三十军主力八十八师及八十九师一部集结起来，做好了反击的准备。攻击命令一下达，掩护部队火力齐发，冲击部队一拥而出，迅速扑向右翼的敌人，将进攻之敌青海宪兵团团团包围。
战斗进行了4个小时左右，此役，击毙敌800余人，缴获马枪800多支、短枪400多支，以及许多战马、子弹等。遭到沉重打击的宪兵团残部仓皇败退，竟然把赶来增援的敌马玉龙手枪团的队伍也冲得七零八落。西洞堡胜利是自西路军进入河西走廊之后最大的一场胜利。
胜利后的西路军准备继续东进，但却一直不见总指挥部下达出发的命令。原来这时敌人发现了西路军的东进意图，调集重兵阻拦。1月28日，西路军军政委员会在总部驻地张掖龙首堡张福屯庄召开扩大会议。会议认为继续东进危险甚大，决定暂回倪家营，调动和寻机歼灭敌人。
1月27日，西路军在给军委的电报中报告了西进决定。西路军的电报，提出要在“甘州以西周转一时”，要求“从远方、从新疆方面应援”。接到电报后，毛泽东于28日向周恩来和博古进行了通报，称：“西路军东进至山丹沙河堡，敌集中防堵，又不能东进，在该地回旋一时期，相机消灭敌人。近日打一胜仗，缴枪二百余支。”
当日，西路军全军回师西进，以九军为前卫，总部直属队等随后，三十军为后卫，重新回到了倪家营。