乾隆二十二年（1757年），天山南路的喀什噶尔城（今新疆喀什）城里，斯兰教白山派首领玛罕木特的两个儿子——波罗尼都与霍集占，这对被准噶尔部关押伊犁多年的兄弟，因清军平定达瓦齐叛乱重获自由，却很快将枪口对准了他们的“解放者”。
回疆（清代对天山南路的称呼）自明末以来便处于叶尔羌汗国统治下，伊斯兰教苏菲派的和卓家族（意为“圣裔”）逐渐掌握宗教话语权，形成白山派与黑山派的长期对立。准噶尔部征服回疆后，将两派和卓均迁至伊犁软禁，以“人质”控制地方。康熙年间，玛罕木特曾试图反抗准噶尔统治，失败后与其子波罗尼都、霍集占一同被囚于伊犁阿巴噶斯地区，“岁纳贡赋，不得自由”（《平定准噶尔方略》续编卷七）。
乾隆二十年（1755年）清军初定伊犁时，定北将军班第为稳定回疆局势，释放波罗尼都，派其返回叶尔羌招抚部众，留霍集占继续居于伊犁“以彰诚信”。班第在给乾隆帝的奏折中分析：“回部久受准噶尔苛虐，今遣和卓归，可收其心，不烦兵戈而南疆自定。”（《清高宗实录》卷四百九十一）这一“以回治回”的策略初期颇为顺利，波罗尼都回到叶尔后，迅速平定黑山派势力，宣布归附清廷，“献户籍，纳贡赋，如旧例”（《西域图志》卷十六）。
然而留居伊犁的霍集占却另有图谋。当阿睦尔撒纳发动叛乱时，霍集占竟暗中与之勾结，认为“清人千里远征，势难久驻，不如乘势自立”（《回疆通志》卷二）。乾隆二十一年（1756年），霍集占率部逃离伊犁，直奔叶尔羌与兄长会合，以“若听清廷号令，必重蹈准噶尔覆辙”为由，劝说波罗尼都反叛。波罗尼初虽犹豫，但在弟弟“圣裔当主其地”的蛊惑下，最终同意举事，二人自称“大小和卓”（“和卓”即“圣裔”之意），公开竖起反清旗帜。
乾隆二十二年（1757年）夏，大小和卓的叛乱正式爆发。他们首先诛杀了清廷派往叶尔羌的招抚官员阿敏道及其随从百余人，“裂其尸，传示诸城，以威吓降者”（《圣武记》卷四）。喀什噶尔、叶尔羌、和田等城相继响应，仅有库车、乌什等少数城池坚守不从。霍集占在叶尔羌自称“巴图尔汗”，铸造钱币，颁布政令，宣称“要建立独立的伊斯兰汗国”（《西域闻见录》卷二）。
消息传至北京，乾隆震怒。他在给定边将军兆惠的谕旨中怒斥：“朕为天下主，岂容尔等跳梁！前释尔兄弟于囚牢，授以疆土，乃敢反噬，此而不诛，何以惩恶！”（《清高宗实录》卷五百三十五）此时清军刚平定阿睦尔撒纳叛乱，主力正屯驻伊犁，乾隆帝遂命兆惠先派副将军富德率少量兵力试探进军，同时调遣陕甘总督黄廷桂筹备粮草，为大规模征伐做准备。
大小和卓的叛军并非铁板一块。回疆各城对其统治多有不满，尤其是黑山派民众，因长期受白山派压迫，“虽被胁迫，心实归清”（《平定准噶尔方略》续编卷十）。库车城主鄂对（后为清廷所封贝子）因拒绝附逆，家族被霍集占诛杀，仅率数人突围投奔清军，成为平定叛乱的重要向导。鄂对向兆惠献策：“回部诸城虽附逆，然多迫于威势，若大军至，必纷纷倒戈。”（《清史稿·鄂对传》）
乾隆二十三年（1758年）五月，清军正式兵分两路南下：定边将军兆惠率主力自伊犁出发，取道天山南麓；副将军富德领兵自巴里坤西进，互为犄角。乾隆帝特意嘱咐：“行军当审时度势，勿轻进，先固粮道，再图进取。”（《清高宗实录》卷五百六十三）
第一战发生在库车城。库车城“依山而建，墙高丈余，城外有护城河”（《西域图志》卷十七），守将阿卜都克勒木是霍集占的亲信。兆惠率军抵达后，先派鄂对喊话劝降，遭严拒后下令攻城。清军“穴地攻城，炮轰其垣”，但库车守军顽强抵抗，“从城上掷石下，伤我士卒甚众”（《啸亭杂录》卷三）。激战月余，清军仍未能破城，反而因暑热和补给困难减员不少。
霍集占得知库车被围，亲率三千骑兵来援。兆惠分兵迎击，在库车城外的鄂根河展开激战。清军“乘夜袭其营，斩馘千余”，霍集占大败而逃，仅带数十人窜回叶尔羌。此战后，库车守将见援军无望，乘夜弃城而逃，清军终于攻克这座坚城。但兆惠清点兵力时发现，南下以来清军已伤亡近三千，且粮草即将告罄，不得不暂缓进军。
乾隆帝接到战报后，调整策略，命兆惠“先清阿克苏、乌什诸城，稳固后方，再图叶尔羌”。阿克苏城主霍集斯（曾擒获达瓦齐献予清军）见清军势大，主动开城投降，“献马千匹，粮万石”（《清高宗实录》卷五百六十八），使清军获得重要补给。至同年秋，除叶尔羌、喀什噶尔外，回疆各城多已归附清廷。
乾隆二十三年（1758年）十月，兆惠决定乘胜进军叶尔羌。他亲率三千清军（其中多数为满、蒙八旗兵）抵达叶尔羌城外，扎营于城南的黑水河畔，故称“黑水营”。此时霍集占已在此集结数万叛军，双方兵力悬殊。
兆惠本想趁敌军立足未稳渡河作战，不料刚渡一半，叛军突然从两翼杀出，“矢石如雨，骑兵往来冲杀”（《清史稿·兆惠传》）。清军被迫退回河岸，陷入重围。霍集占下令“绝其水道，困死清军”，黑水营顿时陷入绝境。兆惠在给清廷的奏报中写道：“我军被围，粮且尽，马驼多毙，士卒煮鞍革充饥，然皆愿死战。”（《平定准噶尔方略》续编卷二十一）
坚守期间，清军展现出顽强的战斗力。兆惠身先士卒，“左颊被枪伤，犹策马指挥”（《啸亭杂录》卷三）。士兵们“掘井得水，煮粮种为食，夜袭敌营夺马驼”，多次击退叛军进攻。最危急时，叛军引河水灌营，清军“挖沟排水，反得饮水”；叛军断其粮道，清军“掘得叛军先前埋藏的粮食数百石”（《圣武记》卷四），竟奇迹般地支撑下来。
黑水营被围的消息传至北京，乾隆帝急命富德率援军南下。富德一路转战，“遇敌于呼尔璊，转战四昼夜，杀贼数千”（《清高宗实录》卷五百七十三），终于在次年正月抵达黑水营外围。兆惠见援军至，率军从内杀出，内外夹击，叛军大败而逃，长达三个月的黑水营之围终得解除。此役清军虽损失惨重，但彻底挫败了叛军的锐气，为最终平定叛乱奠定了基础。
乾隆二十四年（1759年）夏，清军经过休整，兵分两路展开总攻：兆惠率军进攻喀什噶尔，富德进军叶尔羌。大小和卓见清军势不可挡，竟裹挟城中百姓和财物向西逃窜，“凡不愿从者，悉遭屠戮”（《西域闻见录》卷三）。喀什噶尔、叶尔羌两城相继光复，清军随即展开追击。
七月，清军在阿尔楚山（今帕米尔高原东北）追上叛军。富德令前锋参赞大臣明瑞率骑兵冲锋，“自辰至午，三战三捷”，斩杀叛军数千人。大小和卓率残部逃往巴达克山（今阿富汗东北部），其部众“沿途溃散，降者甚众”（《清高宗实录》卷五百八十六）。霍集占曾向巴达克山国王素勒坦沙求援，许诺割让土地，遭拒绝后双方发生激战，叛军大败。
素勒坦沙深知清军势大，不敢收留大小和卓，遂将二人擒杀，“函其首献于清军”（《平定准噶尔方略》续编卷二十七）。至此，历时两年的大小和卓叛乱彻底平定。乾隆帝接到捷报后，命人将大小和卓首级悬于京师示众，以儆效尤，并赋诗庆祝：“凶渠授首，回疆悉平，拓地二万余里，皆入版图。”（《御制诗集》卷五十八）
平定叛乱后，兆惠率军进驻喀什噶尔，着手安抚百姓。他发布告示：“凡被胁迫者，皆免罪；归降者，仍其产业；逃亡者，招抚复业。”（《回疆通志》卷三）同时严惩叛乱骨干，清查户籍，恢复生产。至年底，回疆社会秩序基本稳定，“商旅渐通，农田渐垦，民渐安业”（《西域图志》卷十八）。
乾隆二十四年（1759年），清廷在喀什噶尔召开善后会议，确立了对回疆的统治制度。核心举措包括：
其一，设总理回疆事务参赞大臣，驻喀什噶尔，统辖叶尔羌、和田、阿克苏等八城，受伊犁将军节制。各城设阿奇木伯克（地方行政长官），由清廷任命，“皆从回部中择其忠顺有才者授之”（《清史稿·职官志》），但规定“阿奇木伯克不得专生杀权，大事须报参赞大臣裁决”。
其二，推行伯克制与郡县制结合的管理模式。将回疆分为三十一城，每城设伯克若干，分管民政、司法、税收等事务，伯克等级从三品至七品不等，“皆食俸禄，不得私征”（《西域图志》卷三十一）。同时派驻清军分驻各城，设卡伦（哨所）数百处，加强边防。
其三，制定《回疆则例》，规范统治秩序。明确规定“回人犯法，依回俗处置，但死罪须报参赞大臣批准”；“禁止和卓家族干预政务”；“减轻赋税，旧准噶尔所定税额减十分之三”（《清高宗实录》卷五百九十一）。这些措施既尊重了当地习俗，又强化了中央集权。
乾隆二十七年（1762年），清廷正式在伊犁设将军府，以明瑞为第一任伊犁将军，“节制南北两路，统辖外夷部落，操阅营伍，广辟屯田”（《清史稿·地理志》）。至此，天山南北完全纳入清朝中央政府的直接管辖，新疆作为一个政区名称开始出现。
平定大小和卓叛乱，是清朝巩固西北边疆的关键一役。历史学家魏源在《圣武记》中评价：“高宗平定回疆，其功不在唐贞观下。唐之安西都护府，仅羁縻而已；清之伊犁将军，则实统其地，设官置守，与内地等。”这场战争不仅维护了国家统一，更促进了回疆与内地的经济文化交流。
战后，清廷组织大规模屯田，从陕甘、内地迁移汉、回等族农民前往回疆，“授田亩，给耕牛，免赋税三年”（《新疆图志·屯垦志》）。至乾隆末年，回疆耕地面积较战前增加一倍，粮食产量大幅提高，“岁输米麦二十余万石”（《西域图志》卷三十三）。同时，清廷开通从叶尔羌至北京的驿道，设驿站六十余处，使“回疆之玉、棉、果，内地之茶、布、丝，往来贸易不绝”（《檐曝杂记》卷四）。
在民族关系上，清廷推行“修其教不易其俗，齐其政不易其宜”的政策，尊重维吾尔族的宗教信仰和生活习俗，同时严禁宗教干预政治。乾隆帝在《御制回部总叙》中强调：“朕统御万邦，一视同仁，回部虽殊俗，然皆朕赤子，必使各得其所。”这种相对包容的政策，在一定时期内缓和了民族矛盾。
当然，平定叛乱的过程中也伴随着残酷的杀戮。据《西域闻见录》记载，清军在追击叛军时，曾“屠其城，焚其庐”，造成不少无辜百姓伤亡。但从历史全局看，这场战争粉碎了分裂势力的图谋，使新疆地区保持了近百年的稳定，为近代中国西北疆域的奠定作出了重要贡献。