在此之前刘先俊已命令把沿途各补给站重建，因此大军的行程比第一支援军要快得多。11月刘先俊抵达重镇察汗通古，驻守在此地的帕勒塔、溥润、马麟等将领出迎。帕勒塔羞愧难当，首先站出来：“都督，末将统军无方，导致科布多之役打败，请都督处罚！”马麟也说：“末将未能保护好刘军政长，请都督治罪！”刘先俊摆摆手，“大家谁也没料到哥萨克骑兵突然出现，不是你们的错！”

这边帕勒塔有上前：“都督，说来也怪，我们得到消息，哥萨克骑兵居然又不见了，莫非是他们想再来一次突然袭击？”刘先俊说：“不管他们，若来了，正好一起算账！”

连同新增援的兵马，察汗通古已有兵力5000余人，其中步兵3000多，骑兵2000，还有大炮20门。鉴于察汗通古粮草不多，刘先俊命令大军立即起程，收服科布多。蒙古叛军攻下科布多后，在科布多驻军3000，另有一支5000人的部队却威胁阿尔泰地区，听说刘先俊统兵来援，那只部队便也撤下来和科布多守军会合。

科布多是一个军事重镇，城墙坚固，因此当初溥润才能率千余兵马坚守数月，但经过数月苦战这城墙已经大不如先前。

蒙古军并没有单纯防守，刘先俊率军刚到，还没扎下大营，凶狠的蒙古骑兵就铺天盖地的冲上来。刘先俊早有准备，大军以辎重车为阻挡，步兵放枪。新疆军使用的是当时最先进的快枪水连珠，因为烟雾少，枪声清脆，连续发射如同水声滴落而得名。在漫天弹雨中，蒙古骑兵不断减员，紧接着，前方又想起隆隆炮声，原来是炮营的山地炮已经准备就绪，开始炮击。炮弹的威胁对骑兵最大，不仅是其杀伤力，更重要的是爆炸会使马匹受惊，冲乱队形。果然，大炮轰击不久，蒙古骑兵的队形就乱了，不少马匹自相践踏。刘先俊嗤之以鼻，这种战术，当初蒙古王爷僧格林沁就使用过，结果被英法联军杀的全军覆没。现在的武器更先进，这种马队集团冲锋有什么用。见时机成熟，一挥手，新疆马队就乘势杀了出去。

这场攻防战毫无悬念，蒙古叛军损失惨重，丢下近两千尸体狼狈退进城中。新疆军随即把科布多城围个水泄不通。虽然蒙古叛军已经加固了城墙，但有科布多的主人溥润在这里，新疆军轻易就找到了城墙的致命弱点。刘先俊下令把20门山地炮集中起来炮轰，炮兵一点都不珍惜炮弹，疯狂的展开炮击，一直打到炮口通红为止，炮击整整持续了两个小时。那段脆弱的城墙完全坍塌，露出一个20多米的口子，足够十几匹马并排冲进去，周围近百米都没有蒙古兵存在了。那些蒙古兵哪见过这样强度的炮击，都远远跑一边去了。看到这样的炮击效果，刘先俊满意地点点头，“炮营干得不错，记上一功，现在看马营的了！”

一直等着旁边的马营听了这话，好胜之心顿起。马麟一声呐喊，众骑士跟赛马节死得，争相冲去，要立头功。不一会儿城中便到处都是喊杀声，步营随后蜂拥而入。刘先俊见大局已定，便回营休息，留下帕勒塔等人在此督战。

11月，刘先俊率兵增援阿尔泰，收复科布多。科布多一战歼敌3000余人，俘虏将近5000，哥萨克骑兵始终不见，据俘虏说，他们得到沙皇命令，撤回库伦了。消息传回北京，举国欢腾，北京政府通令嘉奖，并按帕勒塔和溥润利于防守的建议，将两地并入新疆，由迪化直接管辖。同时，命令大军继续进攻库伦，收复外蒙古。

正当刘先俊积极准备进军库伦，一条突如其来的消息令他不得不中止。