同治三年农历五月初一夜里，南疆库车百姓联络城内回族百姓，纵火焚毁城内各地商户铺面，随即调转矛头攻打库车衙门与驻防兵营。
拿下库车之后，起事各方势力经过商议，推举热西丁和卓担任首领，在短短数月时间里接连攻克周边城郭。
清廷随即下发谕令，命新疆各处统兵大员细致甄别作乱人员，对于被胁迫裹挟参与动乱、愿意放下兵器归顺官府的普通民众，一律赦免过往罪责，只缉拿惩处带头起兵作乱的主要首领。
塔尔巴哈台境内发生清廷派出的招抚官员被起事民众杀害的变故，朝廷彻底放弃安抚招降的办法，传令新疆所有驻军从此以武力清剿作为主要手段，严令各地守将专心整练兵马，不得再轻易提议招抚议和。
由于清代新疆多族群、多宗教混居的地域特征显著，部分穆斯林群体依照自身宗教传统，将不信仰伊斯兰教的民众视作异教徒，反清斗争的性质渐渐发生变化。
热西丁执掌兵权后，向麾下全军下达军令，但凡行军途中撞见异教徒，就地全部剿灭。这让绝大多数回民百姓选择依附各路起事武装，而身处新疆的汉族民众，大多聚拢在清廷守军身边，依托城池躲避战乱。
库车动乱爆发一个多月后，为了镇压库车起事，乌鲁木齐驻防清军抽调大半精锐兵马南下驰援南疆，乌鲁木齐城内留守兵力瞬间变得空虚。
同治三年六月十二日，妥得璘、索焕章看准城中守备薄弱的时机，在乌鲁木齐城内举兵起事，起事队伍当天顺利攻破汉城，紧接着合围满城，乌鲁木齐都统平瑞困守孤城三个月，在外无援兵、内缺粮草的绝境之下，城池最终被攻破，平瑞自尽殉城。
乌鲁木齐陷落的同一天，紧邻的昌吉同步爆发民变，此后绥来、库尔喀喇乌苏等北疆沿线城池接连失守。南疆西四城的局势同样急转直下，喀什噶尔本地回部武装联合浩罕籍伯克起兵造反，顺利占据喀什噶尔全城。
新疆军政核心伊犁在同年九月燃起战火，当地回民兵率先攻克宁远城，顺势层层围困惠远、惠宁两座伊犁主城。战事迁延至同治五年正月，惠远城弹尽粮绝被攻破，伊犁将军明绪自尽，伊犁下辖各处堡寨接连陷落，清朝在伊犁经营百余年的军政体系彻底瓦解。
塔尔巴哈台在同治四年正月被起事武装攻破，历经一年拉锯争夺，才被效忠清廷的蒙古喇嘛武装重新夺回城池。到同治六年为止，偌大新疆境内，清廷实际能够管控的疆域仅剩东疆的哈密、巴里坤，以及北疆西北一隅的塔尔巴哈台，剩余九成以上土地尽数落入各路起事武装之手。
占据地盘之后，各路起事首领无心安稳治理地方，纷纷自立政权、割据称王，为争夺土地、人口和粮草常年互相攻伐。妥得璘盘踞乌鲁木齐之后，自立名号“清真王”，依托北疆富庶绿洲积攒实力。
热西丁手握南疆东四城，一心想要向西吞并喀什噶尔等西四城，两股势力常年在天山沿线拉锯鏖战。
驻守喀什噶尔的金相印、思的克忌惮热西丁西进的兵锋，自知仅凭本地兵力无力抵挡，便派人远赴浩罕汗国，请求汗国派遣白山派和卓后裔前来喀什噶尔主持大局，这一次求援，直接给境外势力阿古柏踏入新疆创造了契机。
1865年，浩罕汗国本土爆发严重的王位内乱，国内各方势力厮杀不止，落败派系为了寻找新的落脚地盘，委派阿古柏护送张格尔之子布素鲁克进入南疆。
阿古柏抵达喀什噶尔之后，凭借精锐的外籍兵马快速排挤本土首领思的克，独自掌控喀什噶尔军政大权，之后数十年间，阿古柏一面和热西丁、妥得璘等本土割据势力连年开战，一面逐步蚕食南疆全境州县，1870年阿古柏挥军翻越天山，顺利拿下吐鲁番与乌鲁木齐，自此新疆大部分富庶的绿洲、城镇尽数归于阿古柏管辖。
就在阿古柏逐步统一新疆割据势力的同时，沙俄盯上新疆内乱带来的扩张机会。1871年，沙俄以边境安全为借口大举出兵伊犁河谷，击溃当地割据的艾拉汗政权，用武力强行霸占伊犁全域，随后在伊犁推行沙俄本土的管理制度，迁徙俄民入境垦荒，开启殖民统治。
至此新疆形成三方分立的割据格局：沙俄实际掌控伊犁全境，清朝孤守东疆巴里坤、哈密与塔尔巴哈台小片区域，其余广袤疆土全部处在阿古柏的掌控之下。
在全疆大半土地沦陷的绝境里，东疆巴里坤、哈密两座城池成为清朝保留在新疆最重要的战略支点。
巴里坤修筑有满、汉两座相依的城池，两城相距不远，能够依托城防工事相互驰援、炮火协防，城池外围被戈壁荒漠环绕，外来大军想要围城，很难在荒漠就地筹措粮草，无法实现长时间围困。
总兵何琯坐镇巴里坤主持防务，陆续收纳从各地逃难入城的流民，本地乡绅富户主动捐出存粮银两，自行招募乡勇补充守城兵力，哪怕城内接连数年遭遇饥荒，饿殍遍地，城内军民依旧同心协力守城，从未发生哗变献城的乱象。
北疆民间团练首领徐学功带领民间武装常年游走在乌鲁木齐周边，不间断袭扰妥得璘部的粮草据点与分驻部队，牢牢牵制北疆主力敌军，使其无法抽调重兵向东围攻巴里坤。
哈密郡王伯锡尔带领属地维吾尔百姓配合清军驻守哈密，哈密城池数次被敌军攻破，巴里坤守军多次长途奔袭出兵收复，这条狭长的东疆防线硬生生在乱局中坚守十余年，保住了清军未来西进收复新疆的门户。
等到陕甘境内战事逐步平息，时任陕甘总督的左宗棠着手筹措西征事宜，他定下“先北后南、缓进速战”的用兵方略，多方筹措粮草军饷，整训西征大军。
清军先从甘肃出关收复北疆沿线城池，击溃盘踞乌鲁木齐的妥得璘残部，之后挥师南下进攻南疆，接连收复被阿古柏占据的各处州县，穷途末路的阿古柏在兵败途中身亡，麾下割据政权随之土崩瓦解。
扫清阿古柏势力之后，清军陈兵伊犁边境，依托强大的军事压力配合外交谈判，经过多轮交涉，沙俄最终归还伊犁绝大部分土地，新疆全境重回清朝版图。
战乱平息之后，清廷吸取数十年边疆治理的教训，于光绪十年正式设立新疆行省，改原本伯克制、军府制并行的旧制为内地通行的州县管理制度，理顺新疆地方行政体系，从制度层面化解过往边疆治理中遗留的各类隐患，为新疆后续的安定发展打下制度根基。
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