1865年初，中亚浩罕国（今乌兹别克斯坦）军阀阿古柏在沙俄的怂恿下率军悍然进入新疆，占领了南疆喀什噶尔、和田、英吉沙、阿克苏、库尔勒以东、喀喇沙尔等重镇，宣布建立“哲德沙尔国” 自称“洪福之王（巴达吾莱特亚兹）”。觊觎新疆已久的沙俄也借机加紧蚕食的步伐，更加肆无忌惮地寻求在中国西部地区的最大利益，最终目的是把新疆从中国的版图上分裂出去。

沙俄为了和英国争夺中亚霸权，不但明目张胆的支持阿古柏的叛乱政权，而且在1871年打着代清国“收复”失地的幌子，公然出兵侵占伊犁，甚至还把伊犁划入沙俄版图 。年近花甲的左宗棠凭借高度的民族责任感，毅然挺身而出，他慷慨陈词，驳斥了李鸿章等人力主放弃新疆的谬论，极力强调新疆和东南海防同等重要的战略地位 ，指出了失去新疆后将会导致的一系列严重而不可挽回的可怕后果。

而征战新疆的重任，自然就落在了军事经验丰富、胆识过人、谋勇兼具、魄力和信心俱佳的左宗棠身上。光绪元年（1875年）春，清廷任左氏为全权督办新疆军务的钦差大臣。次年2月16日，准备了近一年的左宗棠在兰州开始调集大军，准备西出大漠，征讨阿古柏。

1876年4月，左宗棠在肃州祭旗，正式出兵，此时左宗棠已是64岁。左宗棠军克服军费筹集、物资转运、士兵沙漠开拔等各种问题，开进到乌鲁木齐城下。经过短暂的激战，击败了白彦虎等回民乱军，占据了北疆。

左宗棠收复新疆击溃阿古柏、白彦虎的分裂势力，一共调集了约6、7万兵力，西征军主力为刘锦棠部新湘军25营，后增至32营；提督张曜蒿武军（固始练勇）14营；徐占彪部蜀军5营；金顺的镶黄旗汉军40营，以及绿营、满蒙八旗马、步、炮、后勤部队150营，总兵力近7万人。但最后真正开赴新疆前线作战的精锐只有50营2万余将士。

左宗棠雄才大略，一举平定新疆，至此，身为一名封建官僚，他基本完成了其波澜壮阔一生的所有大业。此后，他力促洋务， 重视海防，指挥对法作战，虽也偶有闪光之处，但相比而言，再也没有像收复新疆那样的辉煌之作了。

1885年9月5日，左宗棠在福州病故，享年73岁。清廷追赠太傅，谥号''文襄''，入祀京师的昭忠祠、贤良祠，并建专祠於湖南及他所立功的诸省，计有湖南、湖北、安徽、浙江、福建、陕西、河南、甘肃、宁夏、青海、新疆等。