在西路军流散人员陆续返回陕北后，中央也积极对西路军人员进行营救和帮助。周恩来在西安多方寻求关系，希望二马与红军停战。1937年4月下旬，周恩来在西安马德涵家中会见刚从阿拉伯朝圣回来的青海省主席马麟，请他制止对红军的残害。在当时国共合作的大局面下，马家不敢一意孤行，对西路军俘虏的迫害也有所收敛。

在国民党统治区域内，中共中央利用统一战线的背景，开展了有实效的寻找和营救工作。当时西路军流散人员在河西走廊被国民党军队和地方民团俘虏的，以及二马从凉州和西宁转来的西路军人员，都被关在兰州国民党第八战区拱星墩监狱。总数有1300人，他们在监狱内成立了地下党支部，领导大家开展反迫害斗争。1937年5月中旬，周恩来派张文彬以中共代表身份前往兰州，了解拱星墩监狱中西路军人员情况，进行营救。张文彬去后，向狱中同志转达了党中央对他们的问候和关怀。党支部把狱中情况的报告交给张文彬，请他送给党中央。

周恩来闻讯，立即找兰州国民党方面负责人贺耀祖交涉，要他尽快将关押的红军转往西安。6月，当这些红军被转送到甘肃平凉地区国民党43师防区时，大家知道这里与援西军驻地已经很近了，方强等党支部领导人决定，乘机逃脱，跑回陕北去。大家悄悄互相转告：往东到四十里铺就是游击区。夜里，方强等带领大家开始胜利大逃亡，绝大多数人都顺利到达镇原援西军驻地。营救了兰州的西路军被俘人员后，周恩来委派谢觉哉、朱良才在兰州设立了八路军办事处，专门负责收容和查访西路军流散人员。

西路军失败后的一年内，陆续通过各种途径回到陕北根据地的约有6000余人。流落在青海和河西走廊，活到新中国成立后的约有1000多人。西路军过河时的21000人，至少有一多半长眠在祁连山下的荒原上，这是红四方面军历史上遭受的最大损失。但是，西路军到底没有全军覆没，李先念、李卓然等同志为领导的西路军工作委员会，把西路军剩余的420人带到了新疆。

石窝会议后，西路军工作委员会成员李卓然、李先念、李特、黄超、程世才、曾日三、曾传六、李天焕带着总部机关和30军剩下的1000余人也开始行动。他们决定首先第一步摆脱敌人，便马上从石窝南下，钻进大山。经过极端艰苦的两三天行军，到白大坂后，就将敌人远远地甩在后面了。

3月23日，西路军工委召开干部会议，讨论下一步行动计划。会议决定继续设法越过祁连山西面，相机到敦煌。尽管人数越来越少，但大家还是坚持向西走。行军是极其艰苦的，两边都是白雪茫茫的雪山，他们就在中间崎岖小路上行进。沟内的风很大，虽然那时已是春天，气候仍很寒冷。沿途人烟稀少，只有一些稀疏的蒙古包。行军找不到向导，靠指北针走。吃饭找不到炊具粮食，就用牛羊屎烧牛羊肉。加之大家脑子里时刻顾虑敌人追击上来，那里困苦真是达到了极点。就这样，他们以超人的坚强意志和忍耐力克服了严寒、饥饿和疲劳，在1937年4月5日走出了祁连山，到达酒泉南山中。

在走出祁连山之前，终于利用唯一的一部电台，和援西军总部负责人刘伯承、张浩联系上了，并要他们转告中央，西路军部队准备向敦煌进发。下一步将迅速到新疆。请他们转中央，速向国际和新疆交涉。毛泽东、朱德请刘伯承回电转告西路军工委：“远方对西路军进入新疆赴远方求学问题已经决定了。为此，西路军必须到达星星峡，有人在该地迎候你们。”中央的电报在部队中引起一片欢呼。大家争相转告，四十多天的困苦和迷惑，现在终于有了希望，有了前进的目标。大家的士气重新高涨起来。经过11天艰苦行军，他们于4月16日到达甘肃安西东南的石堡城。这时，全支队尚存850人。

走到红柳园子，敌人又赶上来了。西路军首长命令30军余部在沙丘上组织抵抗。西路军工委成员在警卫人员保护下，一行80多人骑着马进了大沙漠。担任掩护的原9军政治部主任曾日三与几个战士坚持战斗，把敌人都引过来。当他们被敌人四面包围，曾日三不愿被敌人俘虏，举起手枪自尽了。红柳园子战斗后，西路军剩下的人更少了。大家零零星星地在荒凉的戈壁滩上转来转去，互相寻找着。沿路的电线杆子成了他们的向导，向西走，到星星峡去。终于，刘青南、饶子健带着一些战士到达了星星峡。山口有两个哨兵，问他们是哪一部分的。当他们回答是红军，一位盛世才部队的军官走上来，对他们表示欢迎。

比饶子健他们先走的西路军首长们此时尚未到达。新疆友军派出侦察兵前去寻找，在离星星峡30多里的戈壁滩中找到了他们。原来他们这支队伍走进戈壁滩后就遇到了大风沙，迷失了方向，只能依靠指北针。在新疆友军的引导下，李先念一行在星星峡与先期到达的西路军战士会合了。清点人数，一共不剩420人。他们是两万多西路军最后的幸存者。在西路军失败后，经过四十多天的苦难行程，他们终于打着西路军的红旗到达新疆。

当时的盛世才尚与苏联和共产国际结为同盟，所以对西路军战士的态度比较友好。星星峡驻军热情招待这些远来的的红军。在西路军到达新疆之前，中共中央代表陈云、滕代远已先期到了新疆，在迪化（今乌鲁木齐）做盛世才的统一战线工作，保持中共中央与共产国际的联系。听说西路军队伍到了星星峡，盛世才派出了一个汽车队给他们送去了冬装、食品、生活用具。陈云、滕代远也同车前往。1937年5月1日，陈云、滕代远一行和车队到达星星峡，受到西路军四百多指战员的列队欢迎。

见到中央代表，大家就像流浪的孩子见到了家乡的亲人，禁不住热泪直流。陈云给大家讲话，代表中央向大家表示亲切的关怀，宣讲了当前的国内形势和抗日民族统一战线的发展。5月4日，他们在陈云同志带领下，离开星星峡乘汽车向迪化进发。汽车在路上开了四天，7日到了迪化。红军战士们被安排在一个工厂里进行休整，在新疆开始了新的生活。