3月14日，西路军军政委员会在祁连山中的石窝召开会议，根据中央指示精神，决定部队分散行动，保存有生力量；陈昌浩向大家宣布了军政委员会的三项决定：一、徐向前、陈昌浩离开部队回陕北，向党中央汇报情况。二、成立西路军工作委员会，由李卓然、李先念、李特、曾传六、王树声、程世才、黄超、熊国炳八位同志组成，统一指挥部队。李先念负责军事，李卓然负责政治。三、全军尚存的部队分为三个支队进行游击活动，等待与援西军会合。红三十军剩下的五个营和总部直属队人员共1500余人编为左支队，由李先念、程世才率领，到西面大山游击；红九军剩下的3个步兵连、两个骑兵连共700余人编为右支队，由王树声、朱良才率领，到南面大山游击；伤员、病号及妇女、小孩千余人编为一个支队，由毕占云率领，就地转移。
    不久，西路军右支队因遭敌人的追击包围而溃散。左支队在李先念率领下在祁连山中顽强奋战，3月23日收到中共中央电令后向新疆转移。部队在冰天雪地中，经过月余的艰苦行程，于4月16日走出了祁连山，到达安西城南十工村，这时部队只有903人（一说850人）。接着在王家围子、红柳园突破敌人重围后，于4月25日胜利到达甘新交界的星星峡。5月1日，中共中央代表陈云、滕代远从迪化（今乌鲁木齐）带领数十辆汽车、大批衣服、食物、药品和节日礼品，到星星峡迎接历经艰难险阻的西路军战士。
    2万余名西路红军在极端艰难的环境中前仆后继，经过大小70余次战斗，毙敌2万余人。西路军7000余将士血洒疆场，9000余人不幸被俘（其中近 5000人遭残害），还有 1300多人流落在甘、青、新、宁一带。西征中，西路军地方工作部门曾建立了中共甘州中心县委和中共山永、高抚两个县委，并建立了永昌、山丹、高台、临泽4个县苏维埃政权及两支地方武装。

    对西路军的失散被俘人员，中共中央通过多种途径，组织营救。八路军驻甘办事处以主要精力从事营救工作，至1937年底共营救2000多人。进步人士高金城受党的委托在张掖以开办"福音堂医院"作掩护，千方百计收容西路军失散伤员200余人，高因此被马步芳部师长韩起功逮捕杀害。

    四、到达新疆后的左支队

    西路军左支队进入新疆后，陈云、滕代远及接任的邓发、陈潭秋都高度重视组织部队学习文化和军事技术。陈云曾向中共驻共产国际代表团写信，提出要西路军余部留在新疆学习军事技术，希望解决教官和学习用的汽车、装甲车、机关枪、飞机等来源问题；滕代远写信给中共驻共产国际代表团，汇报西路军左支队今后在迪化学习的计划，将学习军事，包括军事战术和装甲车、火炮、坦克、飞机的操作放在重要位置。先后从左支队抽调人员学习无线电技术、骑兵、汽车驾驶与修理、装甲车和坦克驾驶与修理、火炮操作等。陈云在学习开始时向学员传达了党中央"严守纪律、安心学习"的指示，并作了向"机械化进军"的动员。陈云通过多种渠道，调查盛世才部队机械化装备情况和军官学校教学能力，提出请盛世才和苏联教官帮助"新兵营"学习、掌握现代武器装备的要求，得到苏联在新疆的总顾问巴宁中将的支持和盛世才的同意。其后，经与盛世才协商，从西路军左支队选调一批同志到盛世才军医学校和兽医学校进行为期两年的学习。还与盛世才达成协议，由盛世才的航空队为八路军培训50名空地勤人员。之后，从西路军左支队选出25名，从延安派出19名干部参加新疆航空队飞行班和机械班学习。