兆惠的副將軍富徳聞聽他們黑水營被圍，便率領索倫、察哈爾兵2000餘以及北路兵1000多，冒雪前往救援。1759年正月初六，當他們抵達呼爾璊(今巴楚縣阿克蘇克馬熱勒鄉西南的歐爾曼村)時，遇到叛軍5000多名。他們邊戰邊轉移，戰鬥竟進行了5天4夜。當時戈壁灘上，缺乏水源，人困馬乏，士卒們只能步行。九日，當他們行至葉尓羌河，距離黑水營尚有300裏，遇到的叛軍越來越多，已經前進不了。正當此時，巴里坤參贊大臣阿里袞奉命帶領士兵600，馬匹2000、駱駝1000趕來，又恰巧遇見愛隆阿從阿克蘇帶來救援的1000多名士兵，時值深夜，火光相連，竟有十餘里長。趁着夜深，黑水營出來劫營的清軍兵卒，正好遇到前來救援的大軍，頓時大喜過望。他們張開兩翼，內外相合，馬蹄聲、衝殺生合在一起，殺聲震天，直衝叛軍軍營。三路軍馬一齊殺來，叛軍遙望，火光相連，搖曳約有十多裏，搞不清楚，清軍來了多少萬人援軍前來救援，歷時手忙腳亂起來。叛軍竟然自相殘殺，慌忙逃跑起來。清軍長驅直入，所向披靡，逼近黑水營。處在被圍中心的兆惠將軍也發覺，怎麼叛軍在逐步減少?且又聽到喊殺聲、馬踏聲，東面塵土瀰漫。他立刻判斷，是援軍到了。於是，他命令將士們，馬上突圍。他們往外衝殺，援軍往裏衝殺，叛軍的營壘很快就被沖垮了，1000多叛軍眨眼間被消滅了。當時，黑水營裏的水井頓時也枯竭了。叛軍自知不敵，小和卓率部退縮到了葉尓羌城內。
兆惠與富徳會合後，率軍回到阿克蘇，休整過後，兆惠先派兵收復了和田，再分兵分別攻克了喀什噶爾和葉尓羌城。大小和卓自知不敵，棄城而逃。
黑水營戰役結束後，清政府總結了黑水營戰役的得失，改變之前對叛亂認識不足沒有充分估計其規模的錯誤，在1759年6月，即派出重兵予以剿滅這些叛軍。定邊將軍兆惠率領着1.5萬兵馬從烏什出發，經布魯特牧地由北向南大舉進攻大和卓木盤踞的喀什噶爾;同時，命定邊副將軍富徳也率領1.5萬兵馬從阿克蘇出發，先抵達和田，從東南方向包抄葉尓羌城，對其形成前後夾擊。大軍所至，叛軍望風而逃。小和卓聞知清政府大軍已到，棄城而去。大小和卓會合後，帶着自己的數萬兵馬向西，即今天的帕米爾方向逃竄。
在追繳叛軍的過程中，富徳率軍先是在霍斯庫魯克山殲滅叛匪800餘人，在阿爾楚爾山又殲滅了1000多叛軍，再在伊西洱庫爾淖爾殲滅叛軍及招撫羣衆1.2萬人。清軍在帕米爾山區三戰三捷，徹底瓦解了大小和卓木等叛匪。最後，大小和卓木僅帶領400餘人逃到了巴達克山。後被巴達克山的首領素勒坦沙殺死，將其屍首獻給了清軍。至此，以黑水營爲標誌的清政府剿滅南疆叛匪的大規模軍事行動徹底勝利了。
黑水城戰役結束後，清政府也逐漸認識到新疆這片土地的重要性，所以在1762 年11 月後，在新疆設立了伊犁將軍府。伊犁將軍府的成立，標誌着新疆進入了一個新的歷史發展時期。
