1864年，正值洪杨之乱和陕甘回变之际，新疆各地豪强趁机而起，出现了割据纷争、各自为王的混乱局面。黑山派和卓后裔阿古柏于1867年建立“洪福汗国”盘踞新疆。对此局势，左宗棠认为“既事关君国，兼涉中外，不能将就了局，且索性干去而已”，遂在并无清廷诏命情况下，率师进驻兰州，采用“缓进速决”战略，准备收复新疆。所谓“缓进”，就是积极治军。用一年半时间筹措军饷，积草屯粮，整顿军队，减少冗员。同时在兰州建立“兰州制造局”，从广州、浙江调来专家和熟练工人，大量制造武器，除仿造德国螺丝炮和后膛枪外，还改造中国劈山炮和广东无壳抬枪。1875年（光绪元年），清廷引起“海防”与“塞防”之争。李鸿章等人力主海防，主张放弃塞防，将“停撤之饷，即匀作海防之饷”。左宗棠则力表异议，指出西北“自撤藩篱，则我退寸而寇进尺”，尤其招致英、俄渗透。光绪皇帝和慈禧太后下诏授左宗棠为钦差大臣，全权节制三军，以将军金顺为副帅，择机出塞平叛新疆。

左宗棠收复新疆的战略是先安定新疆回部，“欲收伊犁，必先克乌鲁木齐”。如果乌鲁木齐城克服，“我威维扬”之后，再大兴屯田以保证长期后勤供应，安抚新疆各部族耕牧如常。如此，“即不遽索伊犁，而已稳然不可犯矣。乌城形势既固，然后明示以“伊犁我之疆索，尺寸不可让人”。在战术上，左宗棠分析：“俄虽国大兵强，难与角力，然苟相安无事，固以度外置之。至理喻势禁皆穷，自有不得已而用兵之日，如果整齐队伍，严明纪律，精求枪炮，统以能将，岂必不能转弱为强，至此劳师袭远之寇乎？”因此，“不在先索伊犁，而在急取乌鲁木齐。”左宗棠事先命西征军前锋部队统帅张曜，驻军哈密兴修水利、屯田积谷。

同年4月，左宗棠指挥西征军刘锦棠所部湘军25个营，张曜所部嵩武军14个营和徐占彪所部蜀军5个营，共有马、步、炮军一百五十余营，兵力总数近八万人。时左宗棠坐镇肃州，命刘锦棠、金顺兵分两路，先后率师出关。9月，大军首下乌鲁木齐。阿古柏部队二号首领白彦虎逃到托克逊。又攻克玛纳斯城，从而北路荡平。接着集结兵力转攻南路。第二年三月，又先后收复达坂城和托克逊城。阿古柏逃往焉耆，留下他的小儿子驻守库尔勒为其垫后。不久，左宗棠军又收复吐鲁番，阿古柏一看通往南路的门户打开，自知大势已去，乃服毒自杀。阿古柏长子胡里率领残部逃往喀什。同年八月，大军从正道向西挺进，先收复南疆东焉耆、库车、阿克苏、乌什四城；接着收复喀什、英吉沙、叶尔羌与和田西四城，至此，这场由英、俄两国支持的阿古柏之乱乃告平息。其后，布鲁特十四个部落，也争相内附。新疆各地也于大小村镇建立左公祠，烧香礼拜。

收复新疆后，左宗棠于1880年（光绪六年）正月上书朝廷，力陈在新疆设省的主张。时沙俄提出在获得中国在通商、割地、赔款和再次调整天山以北边界等方面做出让步后，才能交还伊犁。清廷卖国大臣崇厚在沙俄提出的“通商、划界、赔款”三项要求的条约上签字。左宗棠认为这个条约实属卖国，慈禧太后再被说服，于是治崇厚罪，派曾纪泽出使俄国，重议条约。当此时候，左宗棠再奏称：“壮士长歌，不复以出塞为苦也，老怀益壮。”自愿请行率军屯哈密，为曾纪泽做后盾。左宗棠将其棺材从肃州运到哈密，兵分三路，号称王师四万，向伊犁方向挺进，同时，借以表示为收复伊犁血战到底的决心。在左宗棠强大作战决心威胁之下，沙俄终于在谈判桌上做出让步。1881年（光绪七年）2月24日，曾纪泽与俄方代表订立了《中俄伊犁条约》和《陆路通商章程》。沙俄归还伊犁。虽然这一条约被认为是不平等条约，但中国收回了伊犁九城及特克斯一带地方。左宗棠对这一条约表示满意，说“中俄和议，伊犁全还，界务无损。领事只设嘉峪关、吐鲁番两处，此外均作罢论，则商务亦尚相安。吉林俄船撤还，松花江不许俄船来往”，而对曾纪泽也赞扬道：“劼刚此行，于时局大有裨益，中外倾心，差强人意也”。

1882年（光绪八年），左宗棠再次向清朝政府奏请新疆建省，提出乘新疆收复伊始和西征大军未撤之威，不失时机地建省设县。这样顺应民心，有利于百废待举，恢复元气，实行切实有效的管理。左宗棠最终说服了清朝政府，同意着手在新疆建省。时任新疆巡抚的刘锦棠，制定了建省的具体方案。省会设于迪化，下设镇迪道、伊塔道、阿克苏道、喀什噶尔道及以下设府、厅、州、县。伊犁仍设将军府，但不再统帅全疆的军政事务，政治中心移至迪化。1884年（光绪十年）11月16日，户部奏请添设新疆巡抚、布政使各一人，除刘锦棠任巡抚外，又调甘肃布政使任新疆布政使。从此，新疆省正式建立。

左公以文士起兵，助平洪杨之乱，剿平劲驰之捻，力抚狡猾之回，其于用兵之谋略，百战而百胜，可谓近世所独见。尤其于金积堡一役，在湘军大将刘松山死后，左宗棠毅然起用年轻的刘锦棠为帅，采取“步步为营”之法，渐次剿灭回乱，可为其经典用兵之范例。今日之游客，皆可见当年左公之柳仍萌阴于新疆辽阔之大地。而自军事、政治和经济角度看，中国于今日有广袤的西北领土，为战略纵深之地，且以丰富之能源，富饶之土地，昆仑天山之阻隔，不仅深以左公之远见为感慨至深。正因为如此，近代学者繆凤林先生说：“唐太宗以后，对于国家领土贡献最大的人物，当首推左宗棠，实非过誉。”本世纪初，美国《新闻周刊》杂志向读者推介了过去一千年来全世界范围内的四十位智慧名人，左宗棠是其中之一。以上两种评价，前一个虽在中国，却不在当代；后一个虽在当代，却不在中国。国内外史学家一致认为，收复新疆，是整个晚清史中唯一的亮点。是以清末著名学者左钦敏曾评论左公曰：“综古今论之，邓（艾）、马（援）、李（光弼）、郭（子仪）中兴帝室，无此战绩；卫（青）、霍（去病）、韩（琦）、范（仲淹）功高边塞，无此雄威。班定远（班超）生入玉门，尚须陈乞；岳忠武痛饮黄龙，徒成虚名。勋名之盛，秦汉以后，谁与比伦？”读史至此，不仅想起左宗棠曾给自己所作的挽联，上联：慨此日骑鲸西去，七尺躯委残芳草，满腔血洒向空林。问谁来歌蒿歌薤，鼓琵琶冢畔，挂宝剑枝头，凭吊松楸魂魄，奋激千秋。纵教黄土埋予，应呼雄鬼；下联：倘他年化鹤东归，一瓣香祝成本性，十分月现出金身。愿从此为樵为渔，访鹿友山中，订鸥盟水上，消磨锦绣心肠，逍遥半世。惟恐苍天负我，再作劳人！