正当红九军在古浪与敌血战的时候，西路军右翼红三十军、红五军、总部及直属部队向西疾进，于11月18日攻克永昌，21日占领山丹，随后，红九军也撤至永昌。此时，西路军集结在东起凉州西四十里堡，西至山丹100多公里的狭长地带上。西路军一路征战，粮食没有来源，弹药得不到补充，伤员无法安置。隆冬季节，战士们还穿着单衣，赤足麻鞋，特别需要有一块根据地休养生息。这时候，党中央从全局出发，指示西路军在永、凉间建立根据地，策应河东红军。于是，西路军总部决定以永昌、山丹为中心建立根据地。
西路军政治部立即派出大批干部战士，走街串巷，挨家挨户地做群众工作，宣传红军的政策和纪律，讲解红军挺进河西、打通国际路线、奠定抗日后方的意义。县城的大街小巷和主要公共场所，都贴上了红军的布告、传单和标语。县城东街的戏台上，天天围着群众，观看总部剧团的演出。老百姓看到红军说话和气，买卖公平，不扰民，不拉夫，原先躲避在外的人也都纷纷回家。
11月23日，西路军总部在县城天主教堂召开永昌县各界群众代表大会，陈昌浩、徐向前到会，和各界父老乡亲共同协商建立永昌区苏维埃临时政府的事宜。经过一段时间的紧张工作，12月5日，苏维埃永昌区（县）政府正式成立，青年大队、妇女会、儿童团也都相继组成。永昌城变得热闹起来，儿童团员们扛着木棍列队上操，学唱红军歌曲；青年大队的小伙子们帮助红军挖地主老财藏粮藏物的地窖，并把部分粮食分给贫苦百姓。胸前佩戴着红布条的苏维埃政府主席和委员们，走村串户，请来皮匠为红军赶制皮衣，安置从前线撤下来的伤员。妇女会的姑娘媳妇们，为红军缝补衣裳，做棉鞋、棉帽。工商各界还送来不少铜、铁器物和硫黄、木炭等，几十名铁匠夜以继日地为红军锻铸长矛大刀，制造马尾手榴弹……
红军要在永昌建立革命根据地的消息传到敌人那里，马步青暴跳起来。红军过凉州时，徐向前曾致信马步青，讲明红军只是借道而过，并无攻取凉州之意，望其以大局为重，停止内战，对外抗日。马步青苦于凉州空城，唯恐红军来攻，见此信，便龟缩城内，静观红军绕道过城。可现在红军要在他的地盘上建立根据地，他着急了。永昌又临近西宁，红军在这里建立根据地，必然威胁到马步芳的老巢。共同的利益，使“二马”拼死也要夺回永昌。他们通过电话、电报商量，将前线的八九万人马全部调集于凉、永间，马步青就近召开两方旅长会议，进行战斗部署，决定马元海为步骑兵总指挥，马彪为骑兵总指挥，兵分三路，直扑永昌。朱绍良也派杨德亮旅由兰州赶来配合作战。
凉州西四十里堡，距永昌县约有百里，是凉州通往永昌、张掖的必经之路。红三十军八十八师和八十九师一个团驻守在这里。11月22日，马元海率五个团的兵力向红三十军阵地发起进攻。红三十军在程世才、李先念的指挥下，坚守堡寨，英勇抗击，后来又在野外与敌展开大规模战斗，终于将敌击溃，三天激战，红军毙伤敌2400余人，其中仅大刀砍死者即达700人以上。红三十军也伤亡500余人，二六三团一个连全部拼死在战场上。
敌军另一路向红九军防守的永昌东十里铺和二十里铺一线村庄连续攻击。红九军在红三十军一部的支援下，艰苦鏖战20余日，以惨重的代价，将这一线阵地控制在手中。随后，敌人抓住红军兵力不足的弱点，调集五旅兵马又四个民团攻击永昌县城。战斗最激烈的时候，敌人派三四架飞机前来助战。
敌人一面围攻永昌城，一面又以两个旅又四个民团向山丹红五军进攻。红五军军长董振堂面对强敌从容不迫，趁敌立足未稳，命令师政委谢良率一个团，配备迫击炮连，向西二十里堡敌人的一个骑兵团进行夜袭。红军利用夜幕掩护，迅速接近敌军阵地，一阵炮击和步机枪射击，打得敌军晕头转向，一片混乱。以后的几天里，围攻山丹县城的敌人越聚越多，红五军依托城墙垛口，打退敌人一次又一次进攻，使敌人未能攻进城来。可是在一次战斗中，红军出击部队追击敌人过远，敌骑兵突然杀了回来，部队伤亡惨重，第三十师师长兼三十七团团长李连祥、三十九团政委周畅昌等壮烈牺牲。
正当西路军与敌浴血搏斗的时候，传来了西安事变的消息。党中央为促成西安事变的和平解决，决定调西路军东返。但西路军还未行动，西安事变已和平解决，军委主席团又令西路军继续执行西进任务。12月27日晚，西路军突破重围，撤离永昌、山丹。红军撤离后，刚刚建立20余天的苏维埃政权，即被敌人淹没在血泊中。西路军在永昌、山丹鏖战40余天，部队减至1.5万人，战斗力大为减弱。
高台战斗失利，董振堂捐躯
西路军撤离永昌、山丹后，冒着凛冽的风雪继续西进。12月30日，先头部队红五军攻下临泽县城（今蓼泉）。当晚，军长董振堂、政治部主任杨克明又率三十九团、四十五团和骑兵团、特务团共2800余人，星夜疾进，于1937年元旦早晨一举攻占高台县城。守敌1400余人全部投降。红五军政委黄超带领三十七团、四十三团以及总部直属队驻临泽县城。
红五军在西路军中兵力最弱，总共四个步兵团，一个骑兵团（四个连）、一个特务团（两个连），总兵力不足4000人，但有着光荣的革命历史，著名的宁都起义就是这个部队发起的。起义后改编为红一方面军第五军团，参加了中央根据地的第四、第五次反“围剿”战役，屡立战功。万里长征中，又一直担任后卫任务。一、四方面军懋功会合后，五军团与四方面军的第三十三军合编为红五军。频繁的战斗使五军元气大伤，陇中华家岭一仗，又伤亡800余人，副军长罗南辉牺牲。挺进河西后，山丹战斗中再一次被削弱。然而，红五军毕竟是一支能征善战的主力红军，士气仍很旺盛。
红五军占领高台县城后，总部和红九军、红三十军也相继到达临泽南部的沙河堡、倪家营子一带。本来，西路军在这一带准备略作补充和休整后，继续西进，然而此时河东形势又发生了变化，蒋介石扣押了张学良，调集40个师逼近西安，内战有一触即发之势。局势的变化，需要西路军在战略上予以配合。元月5日，军委主席团电令西路军在高台、临泽地区集结，暂时勿再西进。七八两日，又连电徐、陈，要西路军在临、高一带消灭敌人，完成创立根据地的任务。西路军坚决执行中央命令，在临、高待机，策应河东红军。
红五军一到高台，军长董振堂就带领营以上干部勘察地形，部署兵力防守。因为他清楚，高台成了红军西进的“龙头”，敌人是不会善罢甘休的。政治部主任杨克明带领政治干部和部分战士，深入群众，宣传政策。不几天，高台县苏维埃政府就建立起来。苏维埃政府积极协助红军筹粮筹款，动员老百姓参加红军。红五军武器极为缺乏，苏维埃政府就发动铁匠、木匠，赶制大刀、梭镖、铁叉、木棒等作武器。妇女团和供给部的同志们则不分昼夜，动员群众为红军赶做棉衣、毡鞋。
果然，红军进驻高台不久，敌人就围了上来。敌总指挥马元海，用部分兵力切断高台与临泽的联系，并牵制沙河堡、倪家营子的红军主力，集中马彪、马朴、韩起禄骑兵旅和炮兵、步兵、手枪三个团，以及部分民团，共2万余人，全力进攻高台。
军长董振堂召开干部会议进行战前动员，要求全军坚守高台县城。各连队连夜抢修和加固工事。元月12日，敌军在大炮配合下，向西关制高点（由财神楼改建的大碉堡）发起进攻，红五军第四十五团的一个加强排固守在这里。在敌人连续攻击中，全排战士坚守碉堡，打退了敌人几十次冲锋。激烈的争夺战持续了三四个昼夜，固守碉堡的红军只剩下五个人，碉堡也遭到严重损坏。敌人久攻不克，竟在碉堡周围堆积大量柴草，连同民房一起放火焚烧。在熊熊大火中，五名红军战士壮烈牺牲。
西关财神楼失守时，东关的碉堡也被敌人攻陷。城外据点失守，敌人直逼城下，战局十分危急。自敌人包围高台后，董振堂便和同志们想尽一切办法，几次派人化装出城，与总部和临泽部队联系，但均没有一点消息。现在守城部队经过几个昼夜的激战，伤亡很大，弹药也越打越少，若死守下去，后果十分危险。董振堂与杨克明商量后，决定在适当时机突围。高台城北的敌人力量最弱，这里是开阔地，靠近黑河（河面已结厚实的冰盖），距北山不远，部队突围出去，可以直上北山。董军长命令骑兵团长吕仁礼，组织部队在北城墙上挖了一个能并行两匹马的墙洞，外面只留下一层表皮，突围时，即可一脚踢开。为时不久，董军长接到了驻在临泽的军政委黄超的来信，要董死守高台。董军长再次召开营以上干部会议，传达黄超来信，动员大家死守高台。
从18日夜开始，敌人在炮火掩护下，轮番攻城。这时，红军的子弹已经打光，战士们只得用木椽捣敌人的云梯头，用滚开的面糊糊朝敌人头上泼，用大刀、梭镖、石块、冰块把爬上梯子的敌人一次又一次地打下去。城沿上弹痕累累，血迹斑斑。元月20日凌晨，敌人全力攻城。西南方的城墙首先被敌人突破。这时，红军伤员也投入战斗，与敌人展开肉搏。当日下午，高台城被敌人占领，军长董振堂、政治部主任杨克明等2800余人，几乎全部壮烈牺牲。
苦战倪家营子
高台失守后，敌人另一部又围攻临泽县城。坚守临泽的红军与敌苦战三昼夜，突出重围，退至倪家营子一线。此时，西路军在河西已濒临绝境。1月21日，西路军总指挥部决定东返，23日东返至张掖西南部的西洞堡、龙首堡一带，准备稍加休整，继续行动。
1月27日，红三十军抓住战机，在西洞堡打了一个漂亮的歼灭战，全歼马步芳装备精良的宪兵团，击溃一〇〇师手枪团，缴获1200余支枪及许多战利品，大大鼓舞了指战员的士气。然而，此时敌人正在东面设置重兵堵截，形势十分不利。西路军军政委员会遂决定重返倪家营子，待机歼敌。
马步芳惟恐红军沿甘州、肃州进入新疆，无法向蒋介石交代，看到红军进入地广人稀、给养无着、不利征战的倪家营子，顿时大喜，立即电令马元海，要他把握这一难得机会，全力堵截。马元海遂在倪家营子周围集结了五个骑兵旅、三个步兵旅，加上青海和当地民团约七万余人，从2月1日开始，大规模围攻倪家营子的红军。
敌人每次进攻，都有大炮掩护，而红军连一门迫击炮都没有，子弹又极缺乏，全靠近战对付敌人。在敌人的围攻中，首当其冲的是红八十八师二六三团固守的汪家墩阵地。汪家墩有一个用黄土筑成的土碉堡，位于红军前沿阵地的突出部，能够从正面和左右两侧射击敌人，是一个很重要的防御支撑点。敌人要用较大兵力进攻倪家营子，非先夺取这个碉堡不可。
二六三团三营政委周纯麟带领九连130余名战士进驻这个碉堡，先后用步枪、大刀、手榴弹、梭镖打退了敌人的多次进攻，碉堡周围丢弃的敌尸有四五百具，九连自身也受到很大伤亡，由兄弟连队接防时，英雄的九连只剩下九个人，其中四人还负了伤。
昼夜战斗，战士们疲惫到了极点。时值隆冬，气温下降到零下二十多度，大部分战士穿的还是破单衣。为了御寒，他们找一块破毡，中间掏个洞，从头上套下，用根绳子在腰间一扎，就算是御寒的棉衣了。没有穿鞋，只得用破布、破毡子把脚包起来，许多战士的手脚都被冻坏。更为困难的是没有粮食吃，没有水喝，春节那天，每人只分得拳头大的从敌人那里拉来的死马肉。
西路军在饥寒交迫之中，与敌血战到2月中旬，击退敌大规模的进攻达八九次之多，小的进攻数十次，总计毙伤敌人近万人。但终因各方面条件的限制，没能达到消灭敌人的目的。面对新的局面，西路军打算待天气稍暖后，东出大通、西宁一带，再图发展。可是，这一行动意图被敌人察觉。2月14日，马元海电告马步芳：“倪家营子红军避不应战，已无西上新疆能力，发现有东返模样。”马步芳以红军行将东下，急电蒋介石请示。蒋于15日复电：“据情报确有此企图，已分令防范。”并令马军加紧攻击。马步芳即于当日电令马元海、马彪、马朴、韩起功：“协力四面急攻，不得任其东返。”
从2月15日起，马元海调动一切力量，向红军阵地发起更为疯狂的进攻。敌军在大炮掩护下，实行集团冲锋，步步推进，包围圈越来越小。战斗最激烈的时候，西路军总指挥徐向前、总政委陈昌浩，亲临前线指挥，鼓励指战员浴血奋战。仗越打越艰苦，红军杀伤了成千上万的敌人，但敌人有后方，有补给，能及时补充兵力；而红军是孤军奋战，弹药、人员有耗无补，伤员无医药治疗，部队无粮食给养，连水也喝不上，就连涝池里的冰块都吃光了。
为了摆脱困境，2月21日，西路军转移到威狄堡一带。因这里地形不利，堡寨太多，易受敌人封锁，又连夜返回倪家营子。这时，倪家营子已被敌人洗劫一空，断垣残壁，满目凄凉，就连狗叫的声音都听不到了，情况十分危急和艰难。2月24日，西路军向中央军委告急：“敌骑日夜接近，步骑炮集中，日夜交战，西路军不战胜此敌，必有极大牺牲，西进不可能时，东进也不可能。”请求速派兵增援。26日，军委主席团复电：“（你们）固守50天，我们正用各种有效方法援助你们。”27日，党中央组成援西军，任命刘伯承为司令员，张浩为政治委员。3月5日，援西军从陕西淳化、三原出发，向黄河岸边开进，但这时，远在千里之外的西路军已经战斗到弹尽粮绝、精疲力竭的地步了。
西路军在倪家营子已无法继续固守下去，军政委员会决定再次突围。2月27日，西路军突围后，再次转移。
恶战三道柳沟
2月28日夜晚，西路军迎着刺骨的北风，踏着戈壁滩上的沙砾，向西南方向疾进。3月1日晨，来到临泽县西南边境的三道柳沟。这个村子南面是祁连山，其余三面都是沙漠戈壁，两条从南向北的干河沟，把村子分割成三块长条。东面的叫东柳沟，西端的叫西柳沟，中间的叫南柳沟，被人们称为三道柳沟。
红军到三道柳沟后，连日的苦战和行军，战士们已疲倦得连眼皮都抬不起来，可是敌人的追兵就在后面，严酷的处境使战士们顾不上休息，立即动手构筑工事。