兆惠的副将军富徳闻听他们黑水营被围，便率领索伦、察哈尔兵2000余以及北路兵1000多，冒雪前往救援。1759年正月初六，当他们抵达呼尔璊(今巴楚县阿克苏克马热勒乡西南的欧尔曼村)时，遇到叛军5000多名。他们边战边转移，战斗竟进行了5天4夜。当时戈壁滩上，缺乏水源，人困马乏，士卒们只能步行。九日，当他们行至叶尓羌河，距离黑水营尚有300里，遇到的叛军越来越多，已经前进不了。正当此时，巴里坤参赞大臣阿里衮奉命带领士兵600，马匹2000、骆驼1000赶来，又恰巧遇见爱隆阿从阿克苏带来救援的1000多名士兵，时值深夜，火光相连，竟有十余里长。趁着夜深，黑水营出来劫营的清军兵卒，正好遇到前来救援的大军，顿时大喜过望。他们张开两翼，内外相合，马蹄声、冲杀生合在一起，杀声震天，直冲叛军军营。三路军马一齐杀来，叛军遥望，火光相连，摇曳约有十多里，搞不清楚，清军来了多少万人援军前来救援，历时手忙脚乱起来。叛军竟然自相残杀，慌忙逃跑起来。清军长驱直入，所向披靡，逼近黑水营。处在被围中心的兆惠将军也发觉，怎么叛军在逐步减少?且又听到喊杀声、马踏声，东面尘土弥漫。他立刻判断，是援军到了。于是，他命令将士们，马上突围。他们往外冲杀，援军往里冲杀，叛军的营垒很快就被冲垮了，1000多叛军眨眼间被消灭了。当时，黑水营里的水井顿时也枯竭了。叛军自知不敌，小和卓率部退缩到了叶尓羌城内。
兆惠与富徳会合后，率军回到阿克苏，休整过后，兆惠先派兵收复了和田，再分兵分别攻克了喀什噶尔和叶尓羌城。大小和卓自知不敌，弃城而逃。
黑水营战役结束后，清政府总结了黑水营战役的得失，改变之前对叛乱认识不足没有充分估计其规模的错误，在1759年6月，即派出重兵予以剿灭这些叛军。定边将军兆惠率领着1.5万兵马从乌什出发，经布鲁特牧地由北向南大举进攻大和卓木盘踞的喀什噶尔;同时，命定边副将军富徳也率领1.5万兵马从阿克苏出发，先抵达和田，从东南方向包抄叶尓羌城，对其形成前后夹击。大军所至，叛军望风而逃。小和卓闻知清政府大军已到，弃城而去。大小和卓会合后，带着自己的数万兵马向西，即今天的帕米尔方向逃窜。
在追缴叛军的过程中，富徳率军先是在霍斯库鲁克山歼灭叛匪800余人，在阿尔楚尔山又歼灭了1000多叛军，再在伊西洱库尔淖尔歼灭叛军及招抚群众1.2万人。清军在帕米尔山区三战三捷，彻底瓦解了大小和卓木等叛匪。最后，大小和卓木仅带领400余人逃到了巴达克山。后被巴达克山的首领素勒坦沙杀死，将其尸首献给了清军。至此，以黑水营为标志的清政府剿灭南疆叛匪的大规模军事行动彻底胜利了。
黑水城战役结束后，清政府也逐渐认识到新疆这片土地的重要性，所以在1762 年11 月后，在新疆设立了伊犁将军府。伊犁将军府的成立，标志着新疆进入了一个新的历史发展时期。
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