1759年正月初六，兆惠的副将军富徳得知黑水营被围后，率领索伦、察哈尔兵2000余人以及北路兵1000多人，冒着严寒前往救援。抵达呼尔璊(今巴楚县阿克苏克马热勒乡西南的欧尔曼村)时，遇上了5000多名叛军。经过五天四夜的战斗，缺乏水源的部队只能步行前进。到达叶尓羌河时，距离黑水营尚有300里，但遇到的叛军越来越多，无法前进。此时，巴里坤参赞大臣阿里衮率领士兵600，马匹2000、骆驼1000前来救援，又恰巧遇上爱隆阿从阿克苏带来的1000多名士兵，火光相连十余里，趁着夜深，黑水营出来劫营的清军兵卒正好遇上前来的大军，顿时大喜过望。清军三路军马一齐杀来，叛军被逼退。兆惠将军也感觉到叛军少了，听到喊杀声和马踏声，立刻命令将士们突围。援军往里冲杀，叛军营垒很快被冲垮，1000多名叛军被消灭。当时，黑水营里的水井也枯竭了。叛军退缩到了叶尓羌城内。
兆惠与富徳会合后，率军回到阿克苏，休整过后，兆惠先派兵收复了和田，再分兵分别攻克了喀什噶尔和叶尓羌城。大小和卓自知不敌，弃城而逃。
黑水营战役结束后，清政府总结了黑水营战役的得失，改变之前对叛乱认识不足没有充分估计其规模的错误，在1759年6月，即派出重兵予以剿灭这些叛军。定边将军兆惠率领着1.5万兵马从乌什出发，经布鲁特牧地由北向南大举进攻大和卓木盘踞的喀什噶尔;同时，命定边副将军富徳也率领1.5万兵马从阿克苏出发，先抵达和田，从东南方向包抄叶尓羌城，对其形成前后夹击。大军所至，叛军望风而逃。小和卓闻知清政府大军已到，弃城而去。大小和卓会合后，带着自己的数万兵马向西，即今天的帕米尔方向逃窜。
在追缴叛军的过程中，富徳率军先是在霍斯库鲁克山歼灭叛匪800余人，在阿尔楚尔山又歼灭了1000多叛军，再在伊西洱库尔淖尔歼灭叛军及招抚群众1.2万人。清军在帕米尔山区三战三捷，彻底瓦解了大小和卓木等叛匪。最后，大小和卓木仅带领400余人逃到了巴达克山。后被巴达克山的首领素勒坦沙杀死，将其尸首献给了清军。至此，以黑水营为标志的清政府剿灭南疆叛匪的大规模军事行动彻底胜利了。
黑水城战役结束后，清政府也逐渐认识到新疆这片土地的重要性，所以在1762 年11 月后，在新疆设立了伊犁将军府。伊犁将军府的成立，标志着新疆进入了一个新的历史发展时期。