十三日，兆惠據(jù)探馬報知，葉爾羌城南有叛軍的牛羊牧群，就留部分兵力守大營，親率干余騎兵去搶截牛羊，好補充部隊的給養(yǎng)，并可以誘敵出城作戰(zhàn)。前面有河，清軍奪占橋頭，登橋而馳。想不到中了叛軍的計策，兆惠率兵剛過橋400多人，橋忽然斷了！城中隨即沖出叛軍5000騎兵、10000步兵，張開兩翼攻圍清軍，并截斷清軍后路，使援軍不能前進。兆惠身先士卒，率士兵力戰(zhàn)，他的戰(zhàn)馬中槍死了，換了一匹戰(zhàn)馬，不久那匹英雄的戰(zhàn)馬又受傷倒下。兆惠的臉上和腿上也負了傷。清軍許多戰(zhàn)馬陷在淤泥中。經(jīng)過一場浴血奮戰(zhàn)，兆惠率軍殺出重圍，來到河邊，終于在天黑時浮水回到黑水營，掘壕固守。叛軍連續(xù)5晝夜沖擊清營，清軍士兵身處危地，無不拼死一戰(zhàn)，使叛軍傷亡慘重，不能得手。叛軍萬余人乘勢渡河，包圍清軍大營。

十四日，小和卓組織叛軍向黑水營發(fā)動猛攻。兆惠指揮士卒邊戰(zhàn)邊筑起臨時工事。戰(zhàn)斗持續(xù)了整整5天5夜。小和卓見強攻不下，就派兵筑長圍，妄圖困死清軍。兆惠率領(lǐng)人數(shù)很少的士卒同1萬多叛軍相持，自十月至次年正月，3個月中進行了艱苦的防御戰(zhàn)。當時天寒地凍，彈盡糧絕，援兵不至，無險可依。在此期間，叛軍在上游挖河水灌清軍大營，清軍在下游挖溝排水。叛軍槍彈如雨，清軍大營建在林中，他們砍掉林木，由樹干中挖出數(shù)萬顆彈丸，再反過來打擊叛軍。叛軍編織蘆葦蔽體以防槍彈，前來進攻，清軍就使用火來對付，又挖掘溝壕前進，以接近叛軍突然打擊。清軍挖水井，掘窖糧，補充了給養(yǎng)。兆惠還把俘獲的敵軍士兵放回去，散布清軍得神相助的謠言，以動搖敵軍。但是時間長了，軍糧漸盡，只得煮鞍革為食。

十一月間，布魯特人搶掠了喀什噶爾所屬英吉沙爾城，恰好黑水營清軍縱火焚燒叛軍的兩座營。小和卓以為清軍與布魯特人有約，害怕被兩面夾擊，就暫時放松了攻黑水營。兆惠趁機派出5名士兵，分別往阿克蘇告急，駐阿克蘇頭等侍衛(wèi)飛章奏報朝廷。乾隆帝急命靖逆將軍納木札爾前往增援。駐阿克蘇的定邊右副將軍富德與侍衛(wèi)舒赫德與巴爾楚克合軍，共率3000余兵，冒雪赴援。巴里坤辦事大臣阿里袞領(lǐng)兵600，解馬2000匹、駱駝1000頭，兼程來援。

乾隆二十四年（1759年）正月初六日，富德、舒赫德所部遇由葉爾羌城而來的5000叛軍，廝殺4日，清軍且戰(zhàn)且進。初九日，富德、舒赫德部已接近黑水營，卻被叛軍所圍，處境危險。阿里袞率部趕到，拉開橫陣，大呼猛進，兩軍會合作戰(zhàn)，叛軍退往葉爾羌。兆惠于黑水營中知援兵已到，立即組織所部突破包圍，殺敵千余，燒毀其大營。叛軍大敗，退回葉爾羌城。十四日，兆惠軍與援軍會師，撤至阿克蘇休整。“黑水河之戰(zhàn)”以艱苦卓絕的勝利結(jié)束。

定邊將軍兆惠在葉爾羌城外堅守黑水營的重要防御作戰(zhàn)有著極為重要的意義，此戰(zhàn)使清軍穩(wěn)固地控制了黑水營等地區(qū)，進一步打亂了叛軍的攻擊意圖，是至關(guān)重要的一次防御戰(zhàn)。

兆惠回阿克蘇休整后，小和卓見清軍退去，乘勢占領(lǐng)和闐所屬兩座回城。和闐共有6座回城，人6萬戶，盛產(chǎn)糧食，地理位置十分重要。所以乾隆帝一再催促兆惠，迅速收復和闐。四月，兆惠遣富德率部奪回和闐，大小和卓一時無計可施，便固守于喀什噶爾和葉爾羌，觀望動向，其兵力約有10萬。清軍積極進行進攻準備。除兆惠、富德原有的8000清軍外，又增調(diào)1萬綠營兵，并配備了充足的攻城兵器，有11門大炮和許多云梯。六月初二日，定邊右副將軍富德率部由和闐出發(fā)，和闐6城伯克帶650人回兵從征，進攻葉爾羌。六月十一日，定邊將軍兆惠率部由烏什出發(fā)，進攻喀什噶爾。兩支清軍密切協(xié)同，同時深入，且走且停，以息養(yǎng)馬力。