清廷下诏，催促刘典从湘西出发。
清廷于5月30日将沈葆桢和李鸿章分别任命为南洋大臣和北洋大臣，令他们从速建设南洋水师和北洋水师，并决定每年从海关和厘金收入内提取四百万两白银作为海军军费，由二洋分解使用。
1875年，光绪元年（2）
沈葆桢从前鼎力办理左宗棠开创的福州船政局，但他现在开始为李鸿章说话。他认为应在北洋创办外海水师。若以有限的实力兴办北洋和南洋两支水师，会因力量不足而导致见效缓慢。左宗棠则认为，由于国力有限，应在沿海设防，增设炮台，布置水雷。如果把摊子铺得太大，到外海与列强争逐。轻敌浪战，会浪费有限的国防资源。
清廷考虑到中国当时的主要假想敌是日本，采纳了沈葆桢的建议，先创设北洋一军。充实了北洋水师的实力以后，再以一化三，变为三洋水师。北洋水师的成军之路由此开始。
沈葆桢受命督办南洋海防，他手下的南洋海军共有舰船二十六艘，大部分是李鸿章开办的江南制造总局和左宗棠开办的福州船政局制造的。到上年为止，福州船政局共造大小炮船十五艘，用以装备福建海军。日意格等外籍技师去职后，全部由中国技师工匠自办。
南洋水师驻泊在江苏和浙江海面及长江口，兵舰新旧大小不齐，兵额不一，实力远不如北洋海军。另有广东海军和福建海军，受南洋大臣管辖，但不归其指挥。
浏阳人李兴锐奉命总办上海机器制造局，增设船厂和炮厂。此后一直经营十年。
左宗棠在甘肃设置的制造机构制出了很好的武器。左宗棠在给胡雪岩的信中说：普鲁士国从后膛装填炮弹的螺丝大炮，“精妙无比”，不过，只要手里有现成的大炮，刻意仿造，“亦可有成”。“此间设立制造局”，聘请广东的技工学造，已造成“大小二十余尊”，与普鲁士的大炮“大致无殊”。制造局还模仿普鲁士大炮的优点，制造出两百多斤的重炮，“用车轮架放”，也非常合用。至于洋枪，“惟后膛七响一种最为利器”，制造局已生产出几十枝，也能达到标准。
这一年，左宗棠在兰州接待了一名俄国武官。这个俄国人叫索福诺福齐。他去兰州的目的很难揣摩。据总理各国事务衙门的情报，此人是俄国的将领，假装到中国游历，其实是来打探虚实的。他一路上走走停停，描绘地图。
陕甘两省的官员对接待这位俄国客人颇感为难，担心他窃取中国的军事情报。左宗棠告诉陕西的官员，索福诺福齐要绘图，就让他绘好了。反正外国人也不将他们国家的地图保密。何况，我们的学生，也要向外国人学习绘图技术。但是，各地官府，要劝他最好走大道。如果走了小路，遭遇强盗，中国政府可就不负责了。
清廷建议左宗棠最好让索福诺福齐看一看雄壮的军容，其余就不必让他看到了。左宗棠说，反正甘肃当时一派凋敝，要装排场也装不过来。于是，他在兰州开诚布公地接待了索福诺福齐一行五人，和他们相处了二十七天。
左宗棠在简陋的总督府内接待了俄国将军一行，然后领他们参观了制造局，又让他们观览了湘军的阵容。索福诺福齐在制造局看到了中国自行生产的军械，赞不绝口。看到湘军的阵势，也为之动容。
索福诺福齐向左宗棠提出，希望俄国能与中国在新疆通商，以利于从中国进口茶叶。关于这件事，左宗棠没有急于答复，只说了要研究研究。索福诺福齐甚至主动提出为湘军西进代购代运军火。左宗棠跟他谈成了比较合理的价格。不过，这件事后来只是部分兑现了。
索福诺福齐与左宗棠谈得十分投机，同时对左宗棠颇为钦服。他自以为地理知识丰富，但是跟左宗棠交谈之后，才发现遇上了高人，于是口服心服。
刚见面时，索福诺福齐大谈英、法和普鲁士的枪炮如何厉害，但参观了制造局以后，发现中国的产品比普鲁士的毫不逊色，其中的大洋枪、小车轮炮和三脚劈山炮，甚至是普鲁士没有的。于是，对于枪炮一事，他也不再夸夸其谈了。
索福诺福齐一行于7月22日从兰州启程，“临别依依，不忍遽返”。
左宗棠的洋务办得很有个性。关于委派留学生出国一事，他也有与众不同的主张。他认为，中国的人才，本来胜过外国，只是因为专心道德文章，不重视技术培训，所以有时会相形见绌。只要虚心学习外国的先进科技，过不了几年，他们的长处，都会成为我们的长处。只要朝廷坚持定见，不为浮言所惑，事情一定会成功。到那时候，列强就没有轻视我们的资格了。这就是我们的自强之道。
在大臣们商议派人赴西洋留学时，他极力主张派人游历各国，借机学习，互相考证。国人“神智日开，以防外侮，以利民用，绰有余裕矣”。
有些人提出，派留学生出国，应该派到英、法、美三国。左宗棠认为，既然要派学生去西方游学，就不必指定这三个国家，可以随时斟酌派遣。例如普鲁士的枪炮造得最精，又听说该国新制的水雷足以炸毁轮船，就不妨派二十多个人一起前往，学习制造，三年内就能学会制造水雷与后膛螺丝开花大炮的技术。
由此可以看出，左宗棠是晚清洋务运动的先驱者和积极推动者。他的洋务活动，不是崇洋媚外，不是卑躬屈膝，而是为了振兴中国，富国强民。在这个意义上，他所从事的洋务，是具有积极意义的对外开放。
1876年，光绪二年（1）
379
左宗棠于2月份命令刘锦棠等部从凉州赶赴肃州。
刘典于3月3日抵达兰州，左宗棠令他留守甘肃，筹兵转饷，赞理军机，稳定后方。左宗棠自己于3月16日祭旗，率部开拔。
清廷的大臣们议论纷纷，多数人认为远征劳费，不如放弃新疆南八城，封帕夏为外藩。英国公使威妥玛也为帕夏提出请求。
左宗棠针对这些言论上奏说，乌鲁木齐的反叛者以当地回民居多。白彦虎又带领陕西和甘肃的回军精锐，分兵驻扎红庙、古牧和玛纳斯，彼此相联，而他们都向南与安集延首领帕夏沟通。
自从帕夏占据喀什噶尔各城，吐鲁番和辟展以西的当地回民都向他归附。帕夏能以欺诈能力控制部众，又从印度购得大量西洋枪炮，势力更加强大，当地回民和缠头回民都将他作为依靠。然而，他们不敢公然与俄国人较量，俄国人也说帕夏的狡诈和凶悍不同于其他反叛者。
现在官军出塞，应当先攻北路乌鲁木齐等处，而后向南路进军。当北路进兵时，安集延部也许会集结所有兵力，与白彦虎部联合，拼死抵抗，少不了有几场大恶仗。
如果老天赐福，事机顺利，能够歼除白彦虎部，重创安集延部精锐，由此而挥军南下，攻战之势就会比较容易。这就是致力于北，收功于南了。
如果敌人首先为了自固，只布置防守，以拖垮我军，那么战争会旷日持久，也在意料之中。
外间议论，有人以为新疆军务可以缓办，有人则认为可以迅速取得功效，有的主张撤兵节饷，有的认为难得易失，他们的意思，似乎都是为了方便开展洋务起见，难道这是他们真实的意图吗？
左宗棠说，他以一介书生，能够身居高官，获得显赫的爵位，是平生做梦都没有梦到的。难道他还打算立功边疆，奢望朝廷给予更多的恩赏？何况他已到了六十五岁的高龄，已是日薄西山，虽然愚蠢到极点，也还不至于不自量力，要把边荒的艰巨任务揽到自己身上，只是事情无法推托罢了。
左宗棠说，如果清军不攻克乌鲁木齐各城，就无法得到关键的根据地驻扎兵力。现在伊犁已被俄国人侵占，喀什噶尔又被安集延部占据，如果此时置之不顾，必然后患无穷，可能每天丢失百里之地。所以他不敢不对国家尽这点微薄的忠诚。
后来湘军进兵新疆北路，南路随之平定，完全符合左宗棠的预见。
左宗棠率领大军，于4月7日驻扎肃州。肃州到哈密之间，隔着一片戈壁，其中的泉水，还不能供应一千人的需求。左宗棠与刘锦棠商议进兵机宜，决定让刘锦棠率主力二十四营入疆。这些部队包括十七营步兵和七营骑兵。各部首先进抵安西，再分批向新疆开进。
左宗棠令汉中镇总兵谭上连所部为前锋，宁夏镇总兵谭拔萃所部随后跟进，陕安镇总兵余虎恩所部跟随其后。这些部队，全部听从三品卿衔西宁道刘锦棠指挥。
刘锦棠于4月底出了嘉峪关，三十六岁的衡阳人谭上连已率领本部老湘军右营和刚毅营等部队越过星星峡，抵达新疆东北部的巴里坤县。湘潭人谭拔萃已经接到母亲去世的消息，但他以国事为重，仍然领军开到了新疆哈密。平江人余虎恩已经率部越过安西，进入戈壁，向西推进。
刘锦棠亲自率领余部启程，后来提督陶生林又率一营骑兵从肃州向新疆古城进发，于是出关老湘军总数达到二十五营。
380
左宗棠要平定新疆，后勤补给是非常重要的。从兰州到乌鲁木齐，要穿越两千多里的戈壁，军需补给难度很大。
千军万马出关，筹粮运粮，打井栽树，购置战马，筹办军垦民屯，银饷就用去了八百万两，却没有占领一寸土地，左宗棠心急如焚。他希望在巴里坤一带忙着开垦荒地的战士，能够拔苗揠长，立刻看到黄澄澄的果实。
他盼望张曜的部队在屯垦方面做出榜样，哪怕是解决一半甚至三分之一的军粮，那就是胜利。
“兵屯”是孙子兵法中所没有的，是左宗棠的独创。耕战结合，成为湘军独特的用兵之道。兵屯的一个好处是，可以淘汰掉老弱病残的军士，重组精锐部队。在新疆打仗不能靠数量，要靠兵员的质量，因为一个兵就要吃一份粮饷。而淘汰掉的兵员，就可以成建制地用于兵屯。兵屯的士兵每月仍然可以得到饷银，枪枝弹药衣服照发，仍然是一支部队，遇到土匪袭击，可以保卫自己的安全。
1876年，光绪二年（2）
左宗棠将士兵和农民划分开来。以前的军屯，强调一兵两用，既备军仓，又备守战，变得士兵不像士兵，农民不像农民。兵农分开，让士兵专门打仗，平时加强战斗训练，有战事便要冲锋陷阵；让农民种田，就是裁减战斗人员，让一部分士兵一心一意从事生产，确保军粮肉食基本自给。左宗棠还根据经验编写出《屯边》的专用教材，让各营按教材操作。
张曜的嵩武军本是李鸿章淮军的一部，后来一直跟随左宗棠在西北效力。张曜出关之前，左宗棠一再叮嘱他要在军垦方面做出表率。
魏光焘的部队负责修筑大道。安西以西的大道，从星星峡、哈密到巴里坤之间跨越天山，都是士兵们用肩背、用背拉出来的。在土方爆破的过程中，五名士兵葬身山岩之下。今天，山岩上还残留着当年修路的碑记，但都已在风雨的剥蚀中模糊不清了。
从嘉峪关到乌鲁木齐，沿途每隔十里就有一口水井，这是左宗棠大军梯次进军时由士兵们开挖出来的。左宗棠的部队走到哪里，路就修到了哪里，井就打到了哪里，树就栽到了哪里。沙漠荒原中长长的一线绿荫，就是王德榜的部队栽出来的。
在寸草不生的盐碱地，栽树的坑挖下去就是十几米深，看到水渍，要填上几个立方的土才可以成活一棵树。在这样深的坑中，栽下去死掉的又要新栽，连片包干，责任到人。为了树的成活，士兵们没少挨打；为了树的栽培，王德榜的士兵们衣服磨损比其他部队都要厉害。
终于，一条象征着绿色生命的林阴带，顽强地从兰州沿河西走廊向西延伸。
乌鲁木齐的回民军分兵向西北方长进，袭击塔尔巴哈台，抢劫俄国人的粮食，挺进东北方的布伦托海，又称乌伦古湖，从这里转向东南方，奔向东部，抵达哈密的红柳峡。
金顺率部追踪这支回民军队，发现他们绕过古城，南下吐鲁番，然后西返乌鲁木齐。
清廷认为新疆北路兵力空虚，命令左宗棠派兵兼顾。左宗棠令领队大臣锡纶赶赴沙山，保护与俄国的交通运输，桂锡桢与冯以和各部由他指挥。金顺又调参将徐学功的四营骑兵和步兵协助锡纶。
谭上连部这时已进入古城，分兵驻扎古城以东、哈密以西的芨芨台、色毕口、大石头和三个泉子，保护运输通道。
金顺从吉木萨尔派人飞马送信，请求供粮。左宗棠从巴里坤和哈密的存粮中拨出三百六十万斤接济。
为了运输粮食，左宗棠雇用一万只商用骆驼，载着粮食，从哈密出发，抵达古城。而肃州又派官民用车载粮，取道戈壁，运到哈密。此外，从归化、包头和宁夏驮运粮食前往巴里坤的驼商，在道路上络绎不绝。也有俄国人把粮食卖给湘军，陆路运输，远则行路五千里，路途近的也要走三千里。这样一来，粮食储备是充实了一些，但费用却是非常高昂。
刘锦棠于6月份命令部队取出哈密的存粮，越过天山，分批运到巴里坤，再从巴里坤运往古城。平江人余虎恩知道粮运极为艰难，主动请求担任运粮任务。
刘锦棠于7月份抵达巴里坤，然后进驻古城，分兵驻扎古城以东的木垒河。他派出的侦察兵发现马人得部占据着乌鲁木齐，白彦虎部占据着乌鲁木齐附近的红庙子，马明的当地回民军占据着米泉古牧地。刘锦棠认为应该首先攻取古牧地，拆除乌鲁木齐与红苗子的藩篱。而阜康一地，距离古牧只有一百里，首当其冲，所以应该首先占领阜康。
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五十八岁的新宁人刘长佑于5月份抵达贵州，接受云贵总督的官印。他上了一道奏疏，挑明自己对于洋务的看法。
他说，他对于洋务并不熟悉，但是责无旁贷，不得不预先有所防备。云南出产五金，洋人觊觎已久，特别借着马嘉理一事反复挑拨，放肆提出要求。现在中国如果自己制造机器采矿，则利益归于本国，权利不会落入别人手里。但是边防不稳，难以抵御外侮侵略，兵甲不修，难以为小邦提供庇护。现在缅甸接壤于印度，越南割地给