西路军遂在永昌、山丹一带建立苏维埃革命根据地，积极宣传抗日救国主张。
12月12日，西安事变爆发。由于主力红军战略部署的重大转变，西路军的军事方针“转入配合西安事变和平解决的轨道上来”。
策应河东红军，争取二马抗日，适时打通远方方面，成为了西路军在西安事变解决过程中的重要任务。
由于西安事变后形势的发展和共产国际援助态度的变化，中央军委又令西路军东返。
12月24日，蒋介石签订六项协议，接受停止内战，联合抗日的主张，西安事变和平解决。
12月27日，军委主席团指示西路军“仍执行西进任务占领甘、肃二州，一部占领安西。”
西路军西进永昌、山丹后，马步青联合马步芳以10多个团的正规部队和大批民团发起了进攻。
从11月18日起至12月28日的40天时间里，西路军几乎无日不战，在凉州西四十里铺，永昌八坝、水磨关等地，永昌县城、山丹县城与数倍于自己的敌人发生多次激战，历经大小战斗20余次，击毙击伤敌人6000余人，给马家军以沉重的打击。
12月25日至28日，西路军各部陆续突破重围，分别撤出永昌、山丹一线，按照袭取甘州、占领临泽、攻克高台的战略部署，分兵两路、向西挺进。
12月30日10时许，5军预先抵达临泽县城。1937年1月1日，5军一举攻克高台。
1月6日，红30军及西路军总指挥部进驻临泽倪家营子。
西路军西进临泽、高台之际，河东形势发生变化。中革军委决定西路军暂停西进，在高台、临泽建立根据地，待机策应河东。
1月8日，中革军委主席团致电徐向前、陈昌浩：“根据敌我双方情况，……趁此时机占高台、临泽有粮地区，集中全力反攻追敌，消灭其一部，即可创肃、甘、安根据地，远方亦自然打通”。
1月12日，敌以一部兵力钳制临泽地区9军、30军，切断高台、临泽两地西路军的联系，集中4个旅、另3个团和民团1部，猛攻5军驻地高台县城。
面对孤军奋战的危难局面，5军指战员浴血奋战，军长董振堂、政治部主任杨克明等2000多人壮烈牺牲，20日凌晨高台失守。
由于临泽县城内多为西路军直属机关人员，武器装备甚少，战斗力量薄弱。西路军总供给部部长郑义斋带领警卫连及妇女抗日先锋团和机关勤杂人员虽多次击退敌人进攻，但终因寡不敌众不得不转移至倪家营。
23日临泽县城也被马家军夺回。在西路军浴血高台、临泽之际，军委主席团基于新形势的变化指示东返。
1月20日，西路军军政委员会决定执行军委指示。次日1时，徐向前、陈昌浩电告军委主席团，西路军开始东返。
1月24日至27日，西路军突围东返途中在张掖西南的龙首堡、西洞堡一带取得大捷。这时敌人判明了西路军东返的意图，调集重兵阻拦。
1月28日晨，西路军又自西洞堡重新返回倪家营子。所有西路军被围困于倪家营子而处于全面被动，形势急转直下。
2月21日晚，西路军又从倪家营子突围，向临泽西部的威狄堡转移，转战1天后于22日重返倪家营子，又与强敌血战。
2月28日晚，西路军从倪家营第三次突围后到达威狄堡正南方的三道柳沟，与敌人发生激烈的战斗。西路军减员严重，面临着生死关头。
3月11日晨，西路军总部决定从三道柳沟突围，由梨园口进入祁连山。
3月12日，9军剩余指战员与妇女dú • lì 团一部血战梨园口，有力的掩护了西路军余部的转移，几乎全部英勇牺牲。
梨园口血战之后，西路军可以集中的兵力只剩下3000人左右，转移到了祁连山中，向康隆寺进发。
马家军对进入祁连山的西路军继续围追堵截，双方在牛毛山发生了激烈的战斗。
3月13日，265团为掩护余部，又在康隆寺附近的青石山阻击敌人，战斗异常激烈，全团几乎全部壮烈牺牲。至此西路军的情况已十分的危急。
3月14日傍晚，西路军军政委员会在石窝山召开会议。决定：
一、将现有人员编为3个支队，就地分散游击；
二、陈昌浩、徐向前离开部队，回陕北向党中央汇报；
三、成立西路军工作委员会，由李卓然、李特、曾传六、王树声、程世才、黄超、熊国炳8人组成。
至此，西路军“打通国际路线”的战略行动宣告结束。
左支队在李先念、李卓然等率领下历经千辛万苦于5月1日前后，抵达甘新交界的星星峡，在党中央代表陈云、滕代远一行接应下于5月7日到达乌鲁木齐，整编为“新兵营”，后分批回到延安。
其余两个支队均被敌人打散，或被残忍的杀害、或流落当地，或被俘后被营救，但理想信念始终不变，不少指战员以不同方式辗转返回到了延安。
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