高台之战后，马家军更加紧了对西路军的包围堵截。在这种不利形势下，西路军领导人决定放弃西进计划，带领部队东返。1月28日，西路军全部集结到倪家营子，全军不剩一万多人，战斗员不及一半。马元海立即报告马步芳，并带领马家军主力五个旅和大量民团，将倪家营子包围。倪家营子是由几十个土围子组成的聚落。南北长16里，东西宽3里。大小四五十个土围子稀稀落落地分布在荒凉的田野上。西路军到这里，总算是相对集中一些了。

从1月31日起，马家军向倪家营子发起一次又一次攻击。他们也懂得消灭红军的有生力量，所以专找红30军阵地打。红30军也毫不示弱，在李先念政委和程世才军长指挥下，与马家军展开了惊心动魄的厮杀和血战。倪家营子血战，持续了一个多星期。马家军打得疲劳不堪，伤亡近万人。西路军也付出了沉重的代价，基本上已是弹尽粮绝，伤员越来越多，连最起码的医疗条件都没有。

西路军指挥员都意识到，他们已经到了最后时刻，再打下去，敌人有源源不断的补充，红军则任何补充和援助都没有，力量对比越来越悬殊，必须想办法摆脱被动局面，寻求新的出路。但是中央当时正与蒋介石谈判，希望西路军能就地坚持，维持在河西走廊的局面。

到2月6日，徐、陈感到不能再被动等待了，向中央发去一封电报，反映了西路军的困境。2月13日，西路军又电告中央要求派4军、31军前来增援。2月17日，中央以中央书记处和军委主席团双重名义，给西路军领导人一封措辞严厉的电报。其中说到，你们对过去所犯的政治错误，究竟有何种程度的认识，何种程度的自我批评与何种程度的转变呢？我们认为你们今后的胜利是与过去政治错误的正确认识与彻底转变是有关系的。中央这封严厉的电报，使西路军领导人感到极大的压力。徐向前说：“南下期间，我们确犯了错误，欠了账。把西路军的行动方向与过去的政治错误联在一起，谁还能动弹？陈昌浩压力尤大，他曾是张国焘路线的积极支持者，现时又身负西路军军政委员会主席的重任。一抓过去的辫子，他更是哑巴吃黄连，有苦说不出来，只好唯命是从。”

但是，严峻的现实摆在眼前，就地死守肯定是没有出路的。为此，西路军军政委员会召集会议研究行动计划。徐向前力主东返，得到大家一致拥护。陈昌浩显得心事重重，迟疑不决。在少数服从多数的情况下，2月21日，西路军从倪家营子突围而出，向西洞堡、龙首堡一带转移。两天后到达西洞堡一带，与敌88师打了一仗，并取得了小胜利。可是，陈昌浩见30军打了胜仗，得到一些枪支弹药的补充，便又提出重返倪家营子，继续建立甘北根据地。徐向前大吃一惊，说我们好不容易突围出来，回去不是自寻灭亡吗？但是陈昌浩坚持要回去。因为中央连续来电要他们就地坚守。所以陈昌浩认为他是执行中央路线的，而徐向前则是“右倾机会主义”。在军政委员会上大唱高调，这种气氛压得大家不能说话。

然而陈昌浩是军政委员会主席，有最后决定之权。当西路军重返倪家营子时，发现村寨已被马家军洗劫一空。马家军没想到红军还会回来，立刻又围了上来。每次冲锋都集中两个旅以上的兵力和民团，在炮火配合下向红军猛扑。红30军、9军战士挥舞大刀，一天打退敌人三四次进攻。敌人攻得筋疲力尽，又不善夜战，只得与红军对峙。

西路军在倪家营子的消耗战，用尽了自身最后的一点力量。眼看大势已去，回天无力，陈昌浩才不断向中央告急，报告真实情况。中央领导人非常着急，想方设法援救西路军。2月15日，毛泽东致电周恩来：“西路军问题请作两步交涉。第一步电令二马停战让防，或派人示意令其自让，同时派飞机送款、弹去；第二步派兵增援。”周恩来多次找国民党驻西安的主官顾祝同交涉，顾祝同只答应可以派飞机向西路军空投物资。但是这不过是说说而已，马步芳替蒋介石出力打红军，国民党乐得坐享其成。再说，马步芳之所以与红军死拼，就是为了保住他青海的地盘，谁劝说他也不会罢手。所以，周恩来的交涉没有什么效果。

2月22日，中共中央决定组织部队增援西路军。根据中央指示，2月27日成立了援西军。以4、31、28、32军及一个骑兵团组成。刘伯承为司令员，张浩为政委。出发抢占靖远渡口，每天造一只船，准备渡过黄河。但西路军已经到了最危险的时刻，靖远离甘州1900里，抛开其他因素不说，光行军就要走三十多天。到永登1100里，不停顿地行军也要走二十天。造船、渡河、作战还要时间。所以，中央虽然组织了援西军，但已经来不及增援西路军了。然而，西路军有倪家营子日夜血战，消耗到精疲力竭。徐、陈不在盼望援军到来。最着急的是张国焘。3月4日他又一次以个人名义致电西路军，但不是教徐、陈如何摆脱困境，而是要他们改正路线错误，接受中央的批评。

3月5日，西路军领导人决定放弃倪家营子，乘着夜色的掩护向祁连山转移。马家军骑兵跟在后面穷追不舍。3月8日，西路军进至临泽南接近祁连山的东流沟、南流沟和西流沟。这是三条低洼的古流水沟形成的一片狭长地带。每条流沟里都稀稀落落分布着一些房屋，周围是戈壁滩和沙漠。西路军此时尚有8000人，30军和9军把住流沟两头，总部机关住在中间。听到中央派出援军的消息，疲惫不堪的红军战士心中又有了一线希望。徐、陈决定在这里固守待援。

第二天刚亮，马家军的骑兵就卷着滚滚烟尘追来了。西路军被分割在三条流沟里，整天被敌人的人海战术轮番进攻。红军一天要顶住敌人三四次进攻。还是用大刀拼杀。在三条流沟的四天战斗中，红军每天都要伤亡几百人，红30军也打成了空架子，与9军一样都只剩下不足千人。粮食也吃光了，3月11日夜里，总部命令9军的两个团里应外合，接应30军余部杀出重围，与总部会合后向祁连山口的梨园口退去。

梨园口是入山的口子，三面环山，中间有些民房。徐向前命令9军政委陈海松带两个团约千人把守山口，掩护总部和剩余人员向山里转移。为了守住山口，9军与马家军展开了最后的战斗。因力量悬殊，不到半天，9军仅存的这些人全部战死。军政委陈海松、25师政委杨朝礼等都壮烈牺牲了。敌人又向30军猛攻，为了掩护总部和伤员转移，30军战士又与敌军骑兵殊死战斗。这一天红30军主力264团全部拼光，263团也大部阵亡。西路军从南流沟撤出后，尚余不到3000人，跟随徐、陈的只有30军和机关的千余人。妇女团在出发去红安寺时，脱离了总部和部队，半路上被马家军打散。团长王泉媛、政委吴富莲均被马家军俘虏。3月13日康龙寺之战后，西路军终于失败了。

徐、陈收拾残余部队，连夜向山里行军。3月14日天亮到达石窝一带。红军到了山里，马家军又随后赶来了。李先念、程世才带领30军剩下的几百人边打边撤，掩护总部和其他同志上山。马家军看天色黄昏，不敢夜战，便在山下扎营。在石窝子，西路军高级干部聚到一起，大家都伤心落泪。但是敌人仍然紧追不舍，明天再打就会全军覆没。必须要拿个主意，否则只有等死。天黑之前，陈昌浩召集军政委员会会议，提出分散活动问题。大家一致同意，这样目标小，总有能活着回去的。但是具体怎样办？

程世才回忆：“陈昌浩是这样说的：1、现在是战不过敌人，只有分散活动，保存点力量，待援西军过黄河后再支会合。2、军队各剩这么多人，昌浩、向前离开部队回陕北去。陈提出来后，向前同志反对离开部队，还要与部队一起走，死也死在一起。最后昌浩决定他两个离开部队了。3、任务分配：30军剩下千把人，为左支队，由世才、先念带走打游击；9军剩下三百多步兵和一百多骑兵为右翼支队，由王树声、朱良才带走在山上打游击。总部直属队剩下大部分干部与30军一路去打游击。

徐向前听了陈昌浩宣布的决定，心里十分痛苦，也很矛盾。他回忆说，他还想动员陈昌浩，不要回陕北。他说：昌浩同志，我们的部队垮了，孤家寡人回陕北干什么。我们留下来，至少能起到稳定军心的作用，我看还是不要走吧！陈昌浩很激动地说：不行，我们回去要和中央斗争去！他要斗争什么呢？无非是西路军失败的责任问题。我那时的确不想走，但没有坚持意见。于是迁就了陈昌浩的意见，犯了终身抱憾的错误。 西路军失败了，部队散了。幸存的红军的有合成大股，有的零星活动，各奔前程。等待他们的是一条充满艰难险阻和生死未卜的道路。