1933年夏，国民政府军事委员会委员长蒋介石签发命令，正式任命孙殿英为青海西区屯垦督办，令其率第四十一军从察哈尔省驻地出发，经绥远、宁夏，前往青海西部开展屯垦。蒋介石计划让孙殿英与西北马家军火并以此削弱两支地方势力，坐收渔利。
孙殿英长期在军阀夹缝中生存，始终缺乏稳固根据地。打算以“青海西区屯垦督办”的头衔，凭借七万之众的兵力，击败西北马家军，占据宁、青、甘一带，形成独立割据势力。
孙殿英西进的消息传至西北后，青海马麟、马步芳率先致电南京中央，以“地方贫瘠、供应困难、无法安置大军”为由，请求收回屯垦成命。宁夏马鸿逵则积极整军备战，封锁黄河沿岸渡口，加固北线防御工事。为避免被孙殿英各个击破，宁马与青马摒弃过往摩擦，组建四马联合军，总兵力约四万余人，以西北军政长官朱绍良为名义统帅，实际由马鸿逵任左翼总指挥、马鸿宾任右翼前敌总指挥、马步芳任总预备队指挥，统一调度作战。
马家军计划诱敌深入、以逸待劳、依托地形、切断补给。利用宁夏北部荒漠、黄河天险与秦川地区的丘陵通道，逐步后撤，将孙殿英部引入预设战场。同时发挥骑兵机动性优势，袭扰敌军后勤线，拖延其进攻节奏，依托严寒气候与后勤困境拖垮远征之师。
1933年11月，孙殿英率第四十一军主力从察哈尔商都、化德一带开拔，沿绥远境内的黄河故道西进，月底抵达绥远五原、临河地区。时值塞外隆冬，气温降至零下二十余摄氏度，风雪交加，道路冰封，部队缺乏御寒衣物与充足粮草，非战斗减员持续增加，官兵怨声载道。
孙殿英本应遵照中央“暂驻五原、待命西进”的命令休整，但他担心长期滞留会被晋绥军与中央军合围，同时急于抢占宁夏战略要地，遂以“五原驻防困苦、将士饥寒交迫、需赴沃野休整”为借口，违抗中央指令，于1934年1月7日下令全军继续向宁夏推进。
1934年1月10日，孙殿英正式下达进攻宁夏的作战命令，对外通电指责马鸿逵“违抗中央命令、阻兵防边、残害同胞”，将军事进攻包装为“执行中央屯垦政令”的正义行动。其部队以步兵为前锋，骑兵为侧翼，炮兵随行支援，分三路向宁夏北部防线发起进攻。
1月12日，四十一军先头部队包围磴口县城，驻守此地的马家军一个团稍作抵抗，便按预定计划后撤至石嘴山阵地，未做死守。
1月13日，孙部集中步、骑、炮混合兵力，猛攻石嘴山防御工事，马家军依托黄河沿岸堤坝阻击数小时后，主动放弃阵地，退往黄渠桥。
1月14日，四十一军强攻黄渠桥，双方展开近战肉搏，马家军防线被突破，向姚伏堡、清水堡、洪广营一线溃退。
短短三天内，孙殿英部连克磴口、石嘴山、黄渠桥三处要地，兵锋直指宁夏北部平原与秦川地区。表面上看，四十一军进展顺利，势如破竹，但这正是马家军诱敌深入的战术成果——孙部长途行军、连续作战，兵力分散，补给线已拉长至两百余里，而马家军主力完整，以逸待劳，正逐步将其引入秦川的合围圈。
1934年1月下旬，孙殿英率四十一军主力进入宁夏秦川地区（今宁夏平罗、青铜峡交界一带）。此地地势开阔，南北被丘陵夹持，东西通道狭窄，是典型的易进难出、便于封锁的地形。
马鸿逵部驻守东侧与北侧，依托黄河与沟渠构筑纵深防线；马鸿宾部扼守北部丘陵通道；马步芳、马步青抽调河西走廊精锐骑兵，迂回至西侧与南侧，切断孙部撤回绥远的退路。
此时，四十一军的弱点逐渐开始暴露。补给线过长，绥远至秦川的粮弹运输队频繁被马家军骑兵截击，前线官兵每日口粮减半，弹药仅能维持基础作战，火炮因缺乏炮弹沦为摆设，战马因缺草被大量宰杀充饥。
塞外严寒持续，官兵多为华北、中原人，无法耐受西北高原低温，冻伤、感冒、肠胃疾病频发，非战斗减员占比超过三成。
部队成分混杂，溃兵、土匪出身的官兵沿途劫掠百姓财物、强征粮草，与当地民众冲突不断，民众纷纷躲避或协助马家军传递情报，孙部陷入孤立无援的境地。
1月14日，蒋介石见孙殿英已深入宁夏、与马家军全面交战，随即改变立场，密电朱绍良督饬马家军全力阻击，公开斥责孙殿英“擅自进兵、扰乱地方、违抗军令”，并停发四十一军全部军饷、弹药补给，同时命令晋绥军傅作义部封锁绥远、宁夏边境，阻止孙部回撤。
政治上被中央抛弃，军事上被四面包围，后勤上弹尽粮绝，孙殿英与四十一军彻底陷入绝境。1月底至2月中旬，双方在秦川外围展开数十次拉锯战，孙部虽凭借兵力优势多次发起冲锋，但均被马家军骑兵侧翼冲击、步兵阵地阻击击退，攻势逐渐钝化，各部之间的联系被频繁切断，首尾不能相顾。
1934年2月中旬，马家军完成对秦川地区的全面合围，孙殿英深知困守必亡，遂集中全军仅剩的精锐兵力，发起两次孤注一掷的突围作战：
2月18日，孙部主攻马步芳防区，以敢死队为先锋，连续冲击马家军骑兵阵地，激战一昼夜，官兵伤亡惨重，阵地反复易手，最终未能突破包围圈；
2月19日，孙殿英改变方向，集中兵力进攻马鸿逵部防线，马家军依托深沟高垒顽强抵抗，以机枪火力与骑兵反冲击压制敌军，孙部再次溃败，突围计划彻底破产。
连续突围失败后，四十一军士气全面崩溃，粮弹耗尽，冻伤、饿毙者每日剧增，部分收编的杂牌部队成建制溃散，或向马家军投降，或丢弃武器逃亡荒漠。2月22日凌晨，马家军下达总攻命令：马步芳骑兵从右翼迂回包抄，马鸿逵、马鸿宾部步兵全线推进，炮兵集中火力轰击孙部核心阵地。
总攻发起后，孙部阵地迅速被分割撕裂，各部联络中断，陷入各自为战的混乱状态。官兵无粮无弹，无力抵抗，要么投降被俘，要么在突围中被骑兵追杀。2月23日黄昏，四十一军主力被全歼，秦川战场遍布尸体、丢弃的枪械与辎重，曾经号称十万之众的部队彻底瓦解。
孙殿英本人在总攻发起后，率卫队数百人趁夜色向东北方向突围，穿越阿拉善旗荒漠，侥幸逃至绥远境内，后辗转前往太原，依附阎锡山。其部下高级将领或战死、或被俘、或率残部投降马家军与晋绥军。据战后宁夏省政府与四马联合军统计，四十一军此役伤亡、被俘、失踪、溃散人数超过五万，轻重武器、火炮、马匹、辎重全部损失，仅数千残兵散逃，第四十一军番号名存实亡，孙殿英的西北割据梦彻底破碎。
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