隨後，紅9軍繼續向古浪推進。紅軍白天與敵戰鬥，晚間行軍，人人疲憊不堪，敵卻尾追不舍。紅軍乃夜行曉宿，並由一路縱隊改為二路縱隊，縮短行軍距離，同時又以後衛部隊在梁山阻擊尾追之敵，主力則經一夜急行軍，於11月13日拂曉前抵達古浪城，守城民團棄城而逃，紅軍順利占領古浪城。古浪是“河西走廊”要衝，一個小鎮，它兩麵夾山，地勢較低，極不利於防守。城東有一片開闊的沙石地帶，便於騎兵活動。城南和西南方向是烏鞘嶺。距城最近的南山可以鳥瞰整個古浪城，紅軍派了一個加強團固守。紅25師師部駐城南，另以兩個團置於兩翼，並加強警戒。紅27師駐來路方向，並派出涼州方向的警戒部隊。軍部及機關人員駐於城內。由於對馬家軍估計不足，紅軍的戰鬥較情緒鬆懈。
11月16日拂曉，盤踞在涼州的馬步青派兵增援馬元海，並令其全力奪回古浪。馬元海集中了3個騎兵旅，兩個步兵旅和4個民團，在飛機、大炮的掩護下，向駐守南山的紅軍猛攻。紅軍憑借尚未修築好的工事與敵激戰兩個多小時，打垮敵人數次衝鋒。隨後，馬元海改變戰術，以側翼迂回，配合正麵強攻，以飛機大炮為掩護，並以騎兵穿插，切斷紅25師師、團間的聯係。隨後馬元海又以重兵直逼紅25師師部。在正麵，馬元海以整營整團的步兵猛攻紅軍南山製高點，同時又派兵威脅紅9軍軍部。在紅軍來路方向，馬元海以騎兵穿插於紅27師後背。由此完全打亂了紅9軍的部署，切斷了紅軍各級和部隊之間的聯係，軍、師、團指揮中斷，各部隊隻好各自為戰。經數小時激戰，堅守南山的紅軍加強團幾乎全團覆沒。17日12時，馬元海又以數倍於紅軍的兵力猛攻古浪城。紅9軍軍長孫玉清、政治委員陳海鬆令交通大隊一部和機關幹部從城內出擊。馬元海即令騎兵乘勢猛撲上來，切斷了出擊紅軍的退路。紅軍出擊分隊大部分戰死，其餘被俘。18日，馬元海集中全力攻城。紅9軍從軍長到夥夫都投入到巷戰中。當此危急時刻，紅27師擊潰了馬元海的分割部隊，從東北方向直撲圍攻紅9軍軍部的馬家軍。馬家軍遭到紅軍夾擊，慌忙退到城外。時近黃昏，馬元海不敢夜戰，與紅軍形成對峙。在3天激戰中，紅9軍斃敵2000餘人，但全軍已傷亡2400餘人，損失過半。軍參謀長陳伯稚、紅25師師長王海清、27師政委易漢文等師團以下幹部數十人英勇犧牲，電台及技術人員損失很大。 是夜，身負戰傷的軍長孫玉清和政委陳海鬆決定率部連夜突圍，向永昌的紅30軍第88師靠攏。午夜剛過，紅9軍做好了突圍準備。軍政治部主任曾日三要求各單位盡量帶走能夠行動的輕傷員。隨後，部隊將實在無法帶走的重傷員集中到幾間大屋裏，每人發了3塊大洋，鼓勵他們好好活下去。臨行時，曾日三給馬元海留下一封信，希望他們從人道主義出發，不要殺害紅軍傷員。紅9軍乘著夜暗突圍西去。留下的紅軍重傷員被馬家軍悉數殺害。紅9軍的失利，使紅西路軍重傷一臂，元氣受損，給戰局帶來了十分不利的影響。