为攻取金积堡打开了通路。对刘锦棠的这些部署与战果，左宗棠很满意，上奏清廷，“荐其才可大用”。清廷立即下旨，加封刘锦棠三品卿衔，令其正式统领老湘军。
为了抵御刘锦棠的进攻，回乱军首领马化龙依托秦、汉二渠挖壕筑墙，修堡建垒，使金积堡内外墙壁纵横，堡垒环列，渠水环复，易守难攻，还相继掘开了秦渠、板桥堰和山水河，使清军营地陷入一片水泊之中。面对这些困难，刘锦棠毫不畏惧。他身先士卒，往来于烂泥之中，率领老湘军逐次进攻，步步为营，苦战数月，终于攻占了金积堡外围各堡寨，开始转入对金积堡的进攻。金积堡修筑得十分坚固，堡墙高4丈，厚3丈，周长9里，堡中有堡，防守十分严密。
刘锦棠则以深沟高垒围困。他令清军环堡挖了两道深1丈宽3丈的长壕，壕边筑起高约丈余的围墙，切断金积堡与外界的联系。与此同时，还筑成几座炮台，居高临下，不断向堡中轰击。终于迫使马化龙于1871年1月6日到清营投降，遂占金积堡。
3月2日，按照左宗棠的指令，刘锦棠正法了马化龙父子及1800多名回军将士。
一年之后，他率领18营老湘军进攻马桂源和马本源领导的甘肃西宁府回民乱军。由于回军利用西宁以东从小峡到大峡90里险要山谷坚决屠汉，刘锦棠只好强攻，前后两个多月，血战50余次，才攻占峡口隘路，进驻西宁。
19世纪中叶新疆的大部分地方正处于阿古柏的铁蹄之下。阿古柏已经侵占新疆南部和北部的乌鲁木齐、玛纳斯一带，伊犁谷地则被沙俄军队非法霸占着，只有哈密、巴里坤、布伦托海、塔城以及其他一些地方尚在清政府的控制之。
全国人民迫切期待清政府派兵入新，驱逐入侵之敌，收复新疆。
1875年，左宗棠受命为督办新疆军务的钦差大臣，挥兵出关。对于湘军的战斗力和刘锦棠的指挥才能，左宗棠是了如指掌的。他在筹划和调派入新参战部队时，命刘锦棠担任总理西征大军的营务事宜，并负责指挥前敌诸军的军事行动。
31岁的刘锦棠，以湘军统领的身份总理了西征各军的营务，事实上担任了收复新疆的重任。他按照左宗棠关于先取北路后收南路的作战方针，率领湘军及其他各军，逐个收复了乌鲁木齐、玛纳斯等北疆各城；攻克了阿古柏重点设防的胜金口、达坂城等天山隘口和吐鲁番一带；然后出兵南路，先后收复了喀喇沙尔（今焉膏）、库车、阿克苏、乌什等东四城；收复了叶尔羌（今莎车）、英吉沙尔、喀什噶尔（今喀什）、和田等西四城。
阿古柏在清军节节获胜时，在库尔勒服毒自尽。他的儿子海古拉于携尸西窜的路上，被其胞兄伯克胡里设伏兵击杀。伯克胡里在清军收复喀什噶尔前夕率残部逃回已被沙俄