12月下旬，西路军以5军开路，9军和指挥部居中，30军断后，顶风冒雪向西开进。
1937年1月1日，红5军攻占高台县城。这一带粮食较多，西路军停下来进行短期休整。
如果红军继续向西走，马步芳是乐得让他们快点离开的。
可红军一停下来，他又急了，立即调动2万部队围攻过来。
1月5日，西路军指挥部各机关和红9军在甘州(今张掖市)西南的甘浚堡遭到马家军骑兵突袭，结果部队被打散，损失200余人及大部分电台等通讯设备。
此后西路军各部队联系不便，严重影响了统一指挥。
1月16日，中央来电要求西路军分兵向东。此时西路军人困马乏，损失严重，可说已到危急时刻，中央如何这样要求呢?
原来此时蒋介石已回到南京，将张学良扣押，国民党大军兵围西安，局势又紧张起来。
中央又有了放弃陕北的打算，想让西路军东进配合。
而马步芳已看清了形势，立即向蒋介石表示效忠，同时集中兵力开始猛攻西路军。
1月12日，马家军以一部兵力进攻红9军和30军，主力则绕道向西围住了高台。
此时高台城内有军长董振堂在内的红5军3000余人，5军政委黄超带着5军仅有的一部电台和部分兵力驻守临泽，高台守军遂与西路军总部失去了联系。
马家军猛烈进攻高台，红军苦守数日，顽强击退了马家军的一次次进攻，最后枪弹耗尽，开始展开肉搏。
军长董振堂一面指挥部队战斗，一面准备突围。不料政委黄超派人送来一信，要求5军死守高台。
董振堂长叹一声，这个自宁都起义以来屡建战功的红军著名战将，已决心与高台共存亡。
1月20日，马家军再次向高台发动猛攻。红军用刺刀、砖瓦与敌拼搏，董振堂手提大刀亲自登上城墙指挥部队战斗。
马家军仗着兵力优势一次次轮番进攻，终于攻进城内。红军战士依托城内建筑，逐街逐屋地与敌人展开巷战，城内到处是惊心动魄的浴血拼搏。
激战至最后，军长董振堂、军政治部主任杨克明、13师师长叶崇本壮烈牺牲，3000多红军战士大部战死，少数重伤被俘。
马家军不但屠杀了全部俘虏，还残忍地将董振堂和杨克明的头颅割下，送到西宁去向马步芳请功。
几十年后，董振堂的遗孀见到了当时拍下的首级照片，泪如泉涌。
董振堂牺牲后，国民党将其头颅在高台县挂了很多天，用铁丝捆着两个耳朵，吊在城墙上。他家人每看到这张照片，都禁不住泪流满面。
后来叶剑英等人特意到高台寻找过董振堂的尸体，遗憾的是一直没有找到。
西路军总部开始并不知道高台被围的消息，直到1月23日才得讯，急派唯一的骑兵师前去救援。
路上遭遇优势的马家军骑兵，经过一场血战，红军骑兵大部伤亡，骑兵师长董俊彦和政委秦道贤也牺牲了。
身负重伤的红九军军长孙玉清被俘后，因决不投降被大刀砍死；三十军八十八师师长熊厚发身负重伤，被马步芳绑在大炮筒上，活活轰死。
有2400多男红军战士被就地活埋，有的被火活活烧死，有的被钉死在树上……
当时担任红五军四十五团政委的张力雄回忆说，“他们(马步芳部队)把俘虏的女同志，拿去集体轮奸以后，把衣服裤子脱下来，阴道上插高粱杆，捆到树上示众……”
当时的红军总医院二所护士牟炳贞描述得更是触目惊心：“一把把你抓起来，裤子脱掉，把树削得尖尖的……就这么死掉。”
妇女独立团的女战士被俘后，遭受的苦难最为深重。
被俘的女红军被马步芳、马步青作为战利品赏赐给各级军官做妻妾。有的被转卖多次，有的被迫自杀，有的惨遭杀害，有的四处飘零。
为了生存，为了今后能够回到红军队伍中，许多女红军都选择了先服从、再逃跑的权宜之计。
女子工兵营的指导员刘汉润当时想的是，“先把这条命保出来，我将来再革命嘛”。
高台既失，临泽的红5军余部转而向西路军主力靠拢。不想路上又遭到马家军骑兵截杀，红5军损失数百人，辎重也大部丢失。
幸好红9军政委陈海松带一部人马前来接应，经过苦战，总算将5军剩余部队救出。
高台之战后，西路军实力大损，而马家军仍穷追不舍。
陈昌浩、徐向前等西路军领导决定全军东返，趁实力仍在杀回河东。
1月28日，西路军全军集结到了倪家营子，还剩1万多人，其中能战斗的人员只有不到一半。这里是个小村落，稀稀拉拉地分布着几十个土围院落。
马家军立即尾随而至，开始发起进攻。每日清晨，马家军以土炮向倪家营子轰击，然后密密麻麻的步兵发起冲锋。
红军子弹缺乏，只能以手榴弹阻击一下，然后手持大刀、长矛、木棍等扑上去御敌于营垒之外。
双方反复厮杀，从旷野杀进土围内，又从土围内杀回旷野，一直到日落方息。
这样的战斗持续了近10天，倪家营子内外鲜血已流成了河，很多红军女战士和伤员也加入了拼杀，有的伤员为了不拖累部队，握着手榴弹就扑进敌群与敌人同归于尽。
西路军至此已是弹尽粮绝，伤员众多，且又全无补充。而马家军有后方供给，源源不断而来，攻势一次比一次猛烈。
西路军再在倪家营子坚守下去，只有覆灭一途。
这时中央又来电，要求西路军就地坚持。
因为西安事变后，蒋介石总算是停止了对陕北红军的围剿，国共谈判正在进行之中，将来要划分防区，西路军如能在河西坚持下去，则等于有了讨价还价的资本。
陈昌浩和徐向前觉得不能再坐等下去，便向中央发电请示行动并要求派红4军和31军前来接应。
2月17日，中央发了一封措辞严历的电报给西路军，批评他们不听指挥并将之提到了政治上的高度。
因为红四方面军在张国焘的领导下曾于1935年9月犯了南下分裂的错误，当时的主要领导人陈昌浩和徐向前也背了严重的政治包袱。
这回中央如此电示，将过去的错误与眼下的行动联系在了一起，二人顿感压力沉重，无法动弹。
经过西路军委员会开会讨论，明摆着眼下是无法再坚持下去了，大多数人支持东返。
2月21日，西路军从倪家营子向东突围，边战边走。
2月23日，西路军到达西洞堡。
这时马家军又追了上来，红30军88师在师长熊厚发的带领下，猛烈出击，将追敌1个团全部消灭，缴获了相当多的武器弹药和物资。
本来这是一件好事，可陈昌浩此时被胜利冲昏了头脑，他提出西路军重返倪家营子，继续建立甘北根据地。
徐向前和各军主要领导一齐反对这个建议，认为好不容易冲出来了，只能一鼓作气杀回河东，绝没有再入虎口的道理。
然而陈昌浩原来曾反对过中央，这次为了表示回到正确的中央路线上来，不顾实际情况，只是机械地坚持要执行中央要求的就地坚守的命令。
陈昌浩是军政委员会主席，是西路军最高领导，有最后决定之权，徐向前等人只好表示服从。
2月底，西路军重返倪家营子，这里已是一片焦土，留在村里的红军伤员全遭马家军杀害。
马家军见红军返回，立即又围上来发动进攻。红军缺粮少水，有限的弹药很快又耗尽了，指战员们再次抡起大刀与马家军展开血战。
马家军兵力源源而来，轮番围攻，加以炮火轰击，红军有耗无补，伤亡殆尽。