马元海任步、骑兵总指挥，马彪任骑兵总指挥，在河西走廊与红军展开激战。在凉州西四十里铺战斗中，红军打死打伤马部官兵800多人，在永昌四十坝的一个庄院中，马步銮团包围红军一个文工团，除牺牲者外，被俘的30余名男女文工团员被解送西宁。
马元海指挥步骑兵，在甘州高台县城拼力进攻红五军、红九军部分部队，经七八个昼夜的激战，红五军、红九军主要领导大部分壮烈牺牲，高台红军伤亡殆尽。
马彪、马朴、马禄的部队攻人高台县城。马元海又率步骑兵和民团进攻驻守临泽县城的西路军总部和所属单位，经几天激战，红军乘夜晚突围，与驻守甘州西乡倪家营子的红三十军会合。
1937年2月，马元海指挥步骑主力和民团猛攻驻守倪家营子一带各庄堡的红三十军主力和红五军、红九军的部分部队，以及从临泽撤出的部分红军部队。
经几昼夜激战，红军放弃倪家营子，转移到西洞堡、龙首堡一带。马步芳派手枪团和宪兵团增援，令继续围攻红军，时值寒冬，红军给养无着，处境十分困难。
红军撤到梨园堡，马元海率骑兵穷追不舍，马步芳又从西宁派兵在安西堵击，红军千余人突围进入新疆戈壁沙漠，河西战役结束。
河西战役中被俘的红军战土被押抵西宁后，惨遭活埋和屠杀的上千人，大部分女兵被“赏”给官兵做妻妾，余者3000余人编为补充团，押送到循化、化隆一带做苦力。
1937年5月红九军军长孙玉清在酒泉文殊庙被俘，押送西宁后马步芳令马忠义在西宁东关敦庆号后院秘密杀害。
西路军的失败，是解放军军史上少有的几次大失败之一。
据有关资料统计，红军西路军出征时总人数约21800余人；战死者约7000余人，其中团以上干部143人，军、师以上干部20多人；被俘后遭残酷杀害者约5600人；被营救返回延安者约4700人；失散流落在沿途的约4500人。
过去，只是对马步芳的残暴凶狠有所耳闻，通过西路军的遭遇，有了切身的体会。
尤其是马步芳杀害了西路军被俘虏的战士，仅在张掖，就杀害了3200多人。杀人的方法花样百出，有活埋、枪杀、火烧、扒心、取胆、割舌等多种残忍手段。
由此，马步芳成为八路军欲杀之而后快的敌人。
据亲眼目睹马家军暴行，后来被营救回延安的西路军战士揭露，马步芳纵容手下残酷虐杀战俘，简直到了骇人听闻的程度，如抽肠扒肚，就是把被俘红军的肚皮用刺刀割开，将肠子拉出，拴在马尾上，然后打马奔跑，受害者肠肚拉出，痛苦到死。
有些马家军的官兵听说用人血蘸馍吃可以治病、壮胆，就拉出红军被俘战士当场砍死，拿热馍蘸着人血吃。
马家军还拿被俘红军战士当活靶打，练习枪法或打赌取乐。对被俘女红军战士，还进行强奸，然后分给部下做妻妾丫环，甚至转卖多处。
党中央和主席，为把西路军从马家军的魔掌中解救出来，想尽了办法。
面对徐向前、陈昌浩向中央的告急电文，毛泽东和党中央除紧急指示在西安谈判的周恩来，强烈要求蒋介石令马家军停止军事进攻外，并于2月27日任命刘伯承为司令员，张浩为政治委员，以原红四方面军第4军、第31军，与第28军、第32军和骑兵一个团组成“援西军”，向西开进，以接回西路军。
西路军失败后，为保存西路军余部，3月27日，张闻天、毛泽东、朱德、张国焘联名致电周恩来并彭德怀、任弼时，指示为解救西路军危局，与马步芳等讲和，中共中央愿以10万到20