清乾隆二十三年(1758年)十月，定邊將軍兆惠親率四千清兵先行抵達(dá)葉爾羌城外約四十里的黑水河畔，并于此扎營(yíng)，時(shí)稱“黑水營(yíng)”。此時(shí)天山南部的大小和卓叛亂已持續(xù)一年多，而葉爾羌城就是小和卓霍集占的大本營(yíng)。霍集占見(jiàn)兆惠來(lái)勢(shì)兇猛，一邊命令城中加強(qiáng)防御，一邊派出幾百人的輕騎兵前往騷擾清軍打探虛實(shí)，結(jié)果連派三次都被清軍打敗。兆惠雖然小勝，但并沒(méi)有貿(mào)然行動(dòng)，因?yàn)殡p方實(shí)力相差甚遠(yuǎn)，葉爾羌城中不僅有步騎一萬(wàn)五千余人，而且其東南方向的喀什還有大和卓派來(lái)的援軍。因此，兆惠按兵不動(dòng)，邊尋找作戰(zhàn)機(jī)會(huì)邊等待后續(xù)部隊(duì)，同時(shí)安排副都統(tǒng)愛(ài)隆阿領(lǐng)八百清兵往東南方向出發(fā)，以迎擊喀什方向的敵軍。

雙方對(duì)峙中，清軍糧草逐漸不敷使用。某天，探馬帶回消息說(shuō)，離黑水營(yíng)數(shù)十里處有人放牧上萬(wàn)頭牛羊，可以搶來(lái)當(dāng)軍糧使用。兆惠聞?dòng)嵈笙玻H帶千余騎兵前往，剛至半途，葉爾羌城的叛軍傾巢而出，將兆惠等人包圍其中，兆惠率軍死戰(zhàn)突圍成功，但隨行清兵傷亡過(guò)半。隨后，霍集占的叛軍團(tuán)團(tuán)包圍了黑水營(yíng)，由此拉開(kāi)乾隆中期的清軍最大防御戰(zhàn)---黑水營(yíng)之戰(zhàn)。

叛軍包圍黑水營(yíng)的第二天，就發(fā)起了猛烈攻擊，雙方血戰(zhàn)五日不分勝負(fù)，兆惠眼見(jiàn)叛軍實(shí)力強(qiáng)大，除了讓清軍盡快構(gòu)筑防御工事加強(qiáng)固守的同時(shí)，還安排使者急速向駐扎在阿克蘇的后續(xù)部隊(duì)求援。

應(yīng)該說(shuō)清朝前期的清軍戰(zhàn)斗力還是很厲害的，即使在外有強(qiáng)敵，內(nèi)缺糧草的情況下依然保持了讓霍集占叛軍畏懼的力量。所以叛軍除了前期全軍出擊攻打黑水營(yíng)幾次，之后開(kāi)始逐漸減小攻擊規(guī)模但增加攻擊頻率，又在黑水營(yíng)周圍建造了數(shù)不清的堡壘，將黑水營(yíng)團(tuán)團(tuán)圍住，其用意很明確，就是跟清軍耗下去，等清軍糧草殆盡后，收拾起來(lái)就不費(fèi)吹灰之力了。

圍困中的兆惠讓人在營(yíng)地內(nèi)四處挖掘地窖掏老鼠找糧食，結(jié)果竟找到窖藏的五百石小麥，可以維持半月左右，軍心略安。叛軍圍攻期間，曾用水攻的辦法來(lái)淹沒(méi)黑水營(yíng)，結(jié)果適得其反，原來(lái)黑水營(yíng)中有暗河，叛軍引來(lái)的水一部分由暗河流走，一部分跟圍困中的清軍提供了水源。黑水營(yíng)中林木非常多，叛軍所用鳥槍打出的鉛子都嵌在樹(shù)上，因此每次叛軍放完槍，清軍都到樹(shù)上摳出鉛子重新使用。所以依營(yíng)據(jù)守的清軍不缺水源，不缺武器，唯一缺的還是糧食。等到騎兵的瘦馬，無(wú)糧食可載的駱駝都被殺光吃盡后。清軍開(kāi)始吃每天俘虜?shù)呐衍姡紶枙?huì)俘虜?shù)脚衍姺蚱?，則殺其丈夫，讓其妻子烹煮，吃完奸宿，第二天再殺死吃掉。這些俘虜被殺時(shí)皆默不作聲，任人宰割。這種情形一直持續(xù)到年底。

乾隆二十三年的除夕那天，兆惠部下素以吝嗇著稱的總兵明瑞突然邀請(qǐng)高級(jí)將領(lǐng)們前往他的大帳中宴飲，賓主落座后談及當(dāng)前形勢(shì)，都認(rèn)為最多再撐十天，在座各人將全為鬼魂。席間，明瑞有點(diǎn)不好意思的說(shuō)：“我出玉門關(guān)時(shí)，有人送了些牛肉尚未吃完，今天請(qǐng)大家共享，算是苦中作樂(lè)吧!”當(dāng)時(shí)軍中無(wú)糧已經(jīng)有半個(gè)月，眾將聽(tīng)聞此話大喜過(guò)望，都飽餐而回，有些人私下里大哭說(shuō)：“連明公這樣的人都不留后路了，我輩結(jié)果可想而知!” 此時(shí)距十月初被包圍已經(jīng)一百多天，援軍尚無(wú)消息，已沒(méi)有生還希望了。

實(shí)際上兆惠的清軍被困黑水營(yíng)一事，清廷也在緊急調(diào)兵遣將救援，派遣的援軍也正在趕來(lái)的路上。乾隆二十四年(1759年)正月初六，前往黑水營(yíng)救援的三千清軍遭遇前來(lái)堵截的葉爾羌叛軍五千余人，清軍且戰(zhàn)且進(jìn)。初九日，另外一支援軍約一千五百多人也加入戰(zhàn)陣，兩支援軍合為一處，士氣大漲，一舉攻到黑水營(yíng)外。兆惠于黑水營(yíng)中聽(tīng)聞援軍已到，立即組織殘兵反攻，叛軍在清軍內(nèi)外夾攻下死傷一千余人，立即退回葉爾羌城。十四日，兆惠軍與援軍會(huì)師退回阿克蘇休整。

史家認(rèn)為黑水營(yíng)防御戰(zhàn)有重要意義，此戰(zhàn)清軍不僅打亂了大小和卓的攻擊意圖，還展示了清軍的強(qiáng)大戰(zhàn)斗力，又釋放出清廷鐵血平叛的堅(jiān)定決心。最關(guān)鍵的是，很多不穩(wěn)定因素在此戰(zhàn)過(guò)后逐漸鏟除。不然，到了危機(jī)四伏的晚清，只怕十個(gè)左宗棠也收不回新疆!

兆惠所部在阿克蘇休整到四月份，期間乾隆不斷給他增兵，又?jǐn)U大后勤補(bǔ)給線，命令他盡快出擊。后在當(dāng)年的七月份，大小和卓之亂終于被平定，從而結(jié)束了天山南北地區(qū)的分裂局面。