兰州城外，马安良和马福祥这对亦友亦敌的老搭档难得亲密的又一次站在一起。一方面两人同为回族代表人物，利益休戚相关，一荣俱荣，一损俱损。另一方面马安良支持的是新教，马福祥支持的却是老教，教派不同，因此两人又有冲突，谁都想成为回族的总首领。这次刘先俊再次入甘，两人对张广建在甘肃任人唯亲早就不满，不约而同采取投降政策以保存自己的实力。
在刚才召开的军事会议上，刘先俊一提出攻城方案，两人争先要求充当先锋。两个老狐狸知道，部队以后命运如何，就看这次能不能立下战功，就是强盗入伙也要个投名状，否则将来一定会被边缘化，这可是决定以后地位的一战。现在的新疆军可同以前不一样，有迪化新军、哥老会组成的老部队，有马麒投过去的新军，有白朗的起义军，还有大批德军等等。最后经过商量，刘先俊决定由两人的部队和马麟的骑兵旅共同攻打兰州城，同时由师属炮队配合。
同此前的大炮比，新疆军这次带来的大炮又改进不少，这是一种专门的攻城大炮，比以前用的大炮威力不知大多少。兰州城虽然城墙坚固，但这么多大炮猛轰一个点，再坚固的城墙也不能承受。炮击持续约两个小时，兰州城终于出现一个长约20多米的豁口。此时领兵当先的是马福祥的侄子马鸿宾，一见城墙有了缺口大喜，带着马队就冲上前去。刚冲到护城河边，城墙上弹如雨下，守军早就严阵以待，勇敢的骑士纷纷落马，整个马队节奏顿时慢了下来。紧接着里面的守军把早已准备的石头纷纷填到缺口，眨眼功夫已经有将近一人高，马匹已很难越过，马鸿宾不得不带人退下来。
见马鸿宾攻城失败，马安良紧接着就打第二阵，冲锋陷阵的是马安良家的老四马廷贤，这次马廷贤改变战略不等炮火结束，就冒着炮火冲上去。等他冲到护城河边，发现那段临时堵住的城墙早已破开，甚至缺口更大。马廷贤大喜，策马上前，想抢了头功，哪知硝烟刚散尽，只听“哒哒哒”，一阵机枪扫射，马上的骑兵如落叶一样纷纷坠地，马廷贤感到肩上一疼，马匹受惊，手上无力，再也控制不住缰绳，掉下马来不知人事。
如此几次三番，两支部队轮流上阵，也始终没有进展，敌人的抵抗异乎寻常的顽强。刘先俊在指挥所直皱眉头。旁边的马福祥急忙说：“兰州城自古以来就是西北要塞，城墙坚固，而且驻守的北洋军训练有素，武器精良，这次他们又调来机枪助阵，恐怕攻克不易！”刘先俊点点头，又摇摇头：“马将军言之有理，命令暂缓攻城。我想想怎样尽量避免损失夺取兰州，攻心为上啊！”其实刘先俊原本打算是围而不打，待袁世凯失败时不战而屈人之兵。现在看来兰州城短时间是不会投降了，看样子还得强攻，不打怕对方是不会主动投降的，实在不行就动用秘密武器。正想着，参谋拿封电报进来，“报告，陕西陆建章率兵来援兰州！”
兰州将军府衙门今天晚上灯火通明，一众将领都是欢声笑语。张广建端起酒杯，“诸位将军，今天我军大捷，沉重打击了新疆军不可战胜的神话，大大鼓舞了我军士气，皇帝陛下十分高兴，通令嘉奖，待击退新疆叛军后再论功行赏！我已向陛下保证，我兰州城兵精粮足，城池坚固，一定能顶住叛军进攻！再告诉大家一个好消息，陕西将军陆建章已经亲率一个师来援，大家只要坚守五天，到时内外夹攻，大破叛军，诸位前程不可限量啊！来，干杯！”
第二天凌晨，已露寒意的战场上大雾弥漫，四周也一片寂静，昨天打了一天仗，拖得疲惫不堪的守军正在城墙上昏睡。突然，炮声骤起，新的炮击又开始了。这次炮击只持续了半个小时，目标还是那段临时加固的城墙。可怜的城墙又被炮火蹂躏了一遍。这时，阵地前传来的一阵阵轰鸣声，脚下的大地也似乎在颤抖，一种不祥的预感开始涌上了守军士兵心头。不一会儿，守军士兵们看到几个黑乎乎的“庞然怪物”出现在眼前，它们穿过硝烟冲了过来，顿时城墙上一片混乱，守军拼命向“怪物”射击，但即使是机关枪的子弹打在“怪物”身上，也只是溅起火花，丝毫未损，怪物像被激怒了一样，突然猛烈地开着枪，横冲直撞。它们摧毁了一个个向它射击的火力点，并冲过城墙、压平了障碍物，许多守军被架在上面的机枪打死。在一片混乱中，其余的守军纷纷停止了无谓的抵抗，开始丢弃阵地四散逃跑。昨天一天未能攻克的阵地今天半小时便土崩瓦解。随即新疆军大举攻入，在巷战中依然是这些“怪物”冲锋在前，似乎没有什么能对它造成伤害，能伤害它的只有他自己：在路上，两个“怪物”不知什么原因趴窝了，但仅剩下的三辆仍然完成了任务。当天晚上，兰州将军府被攻下，甘肃将军张广建宣布投降。
收复甘肃的消息很快传遍全国，陕西将军陆建章在驰援途中掉头，但马麟、马福祥、马安良率骑兵追击进入陕西。随即，陕南镇守使陈树藩宣布讨袁，自任陕西护国军总司令包围西安。紧接着山西宣布独立，不再服从袁世凯的北京政府。整个北京局势急转直下。
内外交困之下，袁世凯被迫取消帝制。然而，护国军要求袁世凯下台，并成立军务院政府，与北京政府对立。不久，四川将军陈宦在内外压迫之下宣布独立，湖南将军汤乡铭也宣布独立，至此，从广东、广西、云南、贵州、四川再到甘肃、陕西、山西，整个西部已经独立出去。在护国战争和全国人民的反对下，袁世凯忧惧而死。随即，由副总统黎元洪继任总统，宣布恢复临时约法和旧国会，惩治帝制祸首。各省遂逐步宣布取消独立，护国战争结束。
七月，段祺瑞政府任命刘先俊为西北巡阅使，辖新疆、甘肃（含青海、宁夏）等地。