由于河东红军主力在麻春堡、官桥堡地区，多次设伏诱歼胡宗南部未果，敌军已进至靖远、打拉池、中卫等地，打通了增援宁夏之敌的通路。11月8日，毛泽东、周恩来电示徐向前、陈昌浩：“向凉州进，作战时集中兵力打敌一旅，各个击破之。”这时，党中央和军委认为《宁夏战役计划》，已没有执行的可能，遂于同日制定了《作战新计划》，准备将河东红军组成南路军（红一、二方面军）、北路军（红四军、三十一军），东渡黄河入晋，进行大规模战略转移；要求河西部队组成西路军，独立从新疆方向接通苏联：“徐、陈所部组成西路军，以在河西创立根据地，直接打通远方为任务，准备以一年完成之。”这就是“西路军”名称的由来。11月9日，徐向前、陈昌浩指挥河西部队，兵分三路向凉州进发。11日，党中央及军委下达命令，河西部队改称西路军，成立西路军军政委员会，“统一管理军事政治与党务”。任命陈昌浩为军政委员会主席，徐向前为副主席，委员有陈昌浩、徐向前、曾传六、李特、李卓然（以上五人为常委）、熊国炳、杨克明、王树声、李先念、陈海松、郑义斋。“四方面军指挥部临时改为西路军指挥部，其组织照旧不变。”13日，党中央书记处致电共产国际：“蒋介石部队已将红军主力与红军渡河者从中隔断，渡河者现组织西路军，受徐向前、陈昌浩指挥，人数二万二千，令其依照国际新的指示向接近新疆之方向前进。”
11月中旬，遵照徐向前、陈昌浩的指令，李先念率领红三十军进至凉州（今武威市）西北四十里铺西北四十里铺：武威地名资料记载为“西四十里堡”，今为永丰乡政府所在地。河西方言中“堡”与“铺”发音相近。、永昌、山丹一线。这里是河西走廊的蜂腰地带，堡寨稀落，戈壁荒凉，缺水少粮，极不利于红军作战。但因河东红军尚未按照《作战新计划》东渡黄河入晋，为迷惑敌人制造河东、河西两军即将会合于河西的假象，以便河东红军伺机冲出，进行战略转移。党中央令西路军暂停西进，在永昌、凉州一带建立根据地。西路军遂停止西进，在凉州至山丹一线，与敌鏖战。李先念、程世才率领的红三十军是西路军的一个主力军（九军在古浪一战蒙受重大损失，五军实际上只有相当于一个师的兵力），担负的作战任务特别艰巨，也是马家军攻击的重点。
一战四十里铺。11月22日，敌以5个团兵力向四十里铺猛攻，李先念等指挥红八十八师及八十九师一个团，坚守阵地，奋战3日，数度与敌肉搏，歼敌2400余人，其中被大刀砍死者即在700名以上，自己亦付出伤亡2000人的代价。红二六三团一个连全部拼光。
二战八坝。红三十军在四十里铺战斗后，撤至永昌县东南的八坝，又遭敌两个旅的进攻。敌先用山炮、迫击炮摧毁红军住的堡寨房屋，尔后以骑兵猛冲。红八十八师与敌拼杀两天一夜，阵地被敌突破，弹药消耗殆尽，全靠用大刀、刺刀拼杀，将敌杀退，敌遗尸800多具。
三战水磨关。12月初，敌向水磨关迂回，企图切断永昌与山丹红军的联系。红八十八师与敌激战一昼夜，在八十九师的配合下，将敌击退，歼敌600余人。
四战永昌。水磨关战斗后，敌不甘心失败，又调集5个旅，在7个民团的配合下，猛攻永昌。红三十军一部及西路军总部直属部队，据城抗击，歼敌2000余人，击落敌机一架。与此同时，驻守山丹县城的红五军，亦击退敌一个旅和两个民团的进攻。
12月下旬，西安事变和平解决，军委主席团电示西路军：“西安事变和平解决，前途甚佳。西路军仍执行西进任务，占领甘、肃二州，一部占领安西。”月底，西路军遂再次西进，兵力只剩15000余人。刚刚进至高台、临泽地区，鉴于蒋介石不仅扣押了张学良，且又开始调集重兵，准备进攻西安。为配合友军作战，牵制河西的马家军，中央军委又电示西路军停止西进，在临泽、高台地区“以消灭敌人来完成创造根据地的任务”。西路军主力遂在倪家营子布阵，对付马敌的进攻。
位于祁连山北麓、甘州（今张掖市）以南应为甘州西南。的倪家营子，共有堡寨43处，是河西走廊人口较为密集的一个集团式自然村。马家军发现西路军主力集结于倪家营子，即集中兵力，予以层层包围。从1937年1月下旬起，先后出动5个骑兵旅、3个步兵旅及甘、青两省的大量反动民团，发起一次次连续猛攻。西路军依托堡寨，实行决战防御。经过几次激战，西路军总部决定将兵力收缩到下营子20多个堡寨里。李先念、程世才指挥红三十军扼守西南方向，这里是敌军重点攻击的重要目标。军指挥所仅离前沿阵地两三百米。敌人每次进攻，都集中两个旅以上的兵力，先用大炮轰击，再以骑兵开路，发起集团冲锋，战斗十分惨烈。红军战士弹药匮乏，主要靠大刀、刺刀与敌拼搏，刺刀捅弯了，用大刀砍，大刀卷刃了，用枪托、木棍打，用石头砸，用手掐、牙咬。有的拉响手榴弹，与敌人同归于尽；有的抱住敌人滚成一团；有的咬掉敌人的耳朵，拔掉敌人的胡子……阵地失掉，夺回，再失掉，再夺回……红军指战员无日不战，每天都要打退马家军的多次冲锋，以鲜血和生命捍卫着每个堡寨、每寸土地，捍卫着西路军的荣誉和尊严！
倪家营子汪家屯庄，是红八十八师前沿阵地的一个支撑点，二六三团三营教导员周纯麟带领九连130多人坚守。敌军集中炮火、兵力疯狂进攻。九连指战员奋勇反击，歼敌400余名，守住了阵地。当天夜晚，敌军收兵后，李先念、程世才就和师长熊厚发、政委郑维山踏着硝烟弥漫的土地，来到九连阵地上，看望并慰问九连的勇士们。李先念望着血渍斑斑的阵地和未及掩埋的烈士遗体，握着指战员们一双双刚劲有力的大手，深情而又高亢激昂地说：“同志们，别难过，你们打得好哇！敌人用炮打，没有打垮你们；用马刀砍，没有砍倒你们；用火烧，没有烧毁你们。你们像铁钉一样，牢牢地钉在坚守的阵地上，不愧是红军的钢铁战士！”
倪家营子血战，历时40个日夜，李先念根据西路军总部的作战意图，指挥红三十军与红九军、红五军相配合，在极端险恶的形势下，英勇杀敌，威武不屈，共歼敌一万余人，用鲜血和生命谱写了气壮山河的英雄赞歌。
临危受命
倪家营子血战，西路军伤亡亦大，且缺粮缺水，有耗无补。2月27日，部队被迫撤出倪家营子。此后，红三十军又与红九军苦战三道柳沟，决战梨园口，恶战马场滩，激战康隆寺，掩护西路军总部转移到祁连山深处的石窝山上。这时，西路军的败局已定，总兵力连同彩号、妇女、儿童，已不足3000人。
党中央、中央军委时刻关注着战局的变化，保持着无线电通讯联系，千方百计援救西路军。首先是与蒋介石南京政府交涉，要其下令马家军停战让防；其次是派人去青海直接同马步芳交涉，要其停止进攻；第三是以四方面军留在河东的红四军、红三十一军同红二十八军、红三十二军组成援西军，开赴镇原、平凉地区，向蒋介石施加压力；第四是多方派人大力收容西路军失散人员。
3月14日黄昏，在石窝山上的密林中，陈昌浩主持召开西路军军政委员会会议，讨论行动方针。陈昌浩含着热泪宣读了军政委员会的决定：（1）徐向前、陈昌浩离队回陕北，向党中央汇报情况。（2）由李卓然、李先念、李特、曾传六、王树声、程世才、黄超、熊国炳八人组成西路军工作委员会，李先念统一军事指挥，李卓然负责政治领导。（3）将现有兵力和人员，分为三个支队进行游记活动：由李先念率红三十军主力5个营和总部直属部队人员共1500余人，组成左支队，到西面大山游击；由王树声率红九军余部共700余人，组成右支队，到南面大山游击；由毕占云毕占云：应为张荣。率一部兵力及彩号、妇女和儿童，编成一个支队，就地转移。3月15日，西路军工委将上述决定，电告军委主席团、党中央。3月17日，中央及军委复电李先念、李卓然：“同意你们成立工委会，并分为三路游击。”
翻越祁连山