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盛世才闻知奇台失守消息后，一面派人与马仲英和谈，一面调兵遣将向阜康进发，而马仲英识破了盛世才以和备战的伎俩，于是将计就计，一面派人与盛方代表周旋，一面调动主力到紫泥泉布防，6月12日双方在紫泥泉展开激战。是夜风雨交加，气温骤降，马仲英部衣着单薄，难御严寒，攻势锐减。次日精力充沛的盛军开始反攻，士气低落的马仲英所部溃败后撤，一路退至鄯善、吐鲁番一带。迫于内外压力，盛世才施展手腕，假意与马仲英和谈，这和兵困马乏的马仲英不谋而合。双方代表先后在吐鲁番和迪化多次会晤。盛世才提出任命马仲英为东疆警备总司令，指定哈密为其防区，而马仲英却提出南北疆分治，马占南疆，盛占北疆。双方分歧很大，和谈一度陷于僵局。
1933年9月盛世才召开军事会议，决定对马宣战，并突然在宴席中拘捕马仲英派去和谈代表，战火已经不可避免。马仲英在吐鲁番得知消息，怒不可遏，随即号召手下官兵，准备与盛世才决一死战。马仲英十分清楚经过紫泥泉大战后，单凭自己的力量无法战胜盛世才，于是他有计划地与同样和盛世才有矛盾的张培元合作。双方商定夹击迪化，推翻盛世才。
此时的马仲英占据新疆广大地盘，从哈密经鄯善、吐鲁番直到焉耆，另外马赫英的势力从镇西向北沿外蒙国境直达阿山南部，而马世明的势力则越过达坂城渗透到了柴窝堡。盛世才的防守地区也只是东到奇台、西达塔城而已。1933年10月9日，马仲英在吐鲁番举行阅兵视事大会，宣布要消灭盛世才，而盛世才不甘示弱，第二天在迪化通电全国讨伐马仲英。
10月已经占据阿山的马仲英命令得力部下马赫英大举南下围攻塔城，就此第二次盛马大战开始。东线马仲英得到盛世才大军来犯的报告，命令驻扎达坂城的部队迅速占领附近高地固守，同时他亲自率领步兵一个旅，会同驻扎托克逊的马彦良骑兵一团抵达达坂城，凭借高地实施防御战。15日清晨，盛世才使用东北义勇军做先锋，猛烈攻击山湾的马军山头阵地。马军居高临下，枪炮齐发，打得进攻省军伤亡惨重，被迫撤回。而在塔城，进攻新城的马赫英却被随后赶来的刘斌部击溃。随即解除了塔城之围。
经过半月交战，盛世才深感军力之不足，为了达到自己独霸新疆的野心，他一方面在军事上竭力阻挡马仲英的凌厉进攻，另一方面又开始施展政治手腕，希望获得苏联的军事支持。1933年12月，盛世才在迪化与苏联代表波哥丁签署了秘密协定。此时正值马仲英围攻孚远，塔城附近的马赫英虽然被迫解除了对塔城的围攻，但其人马基本未受损失，此时再次与马仲英的军事行动遥相呼应，派遣李福兴率主力偷袭绥来，迫使盛世才不得不撤回迪化，再次命令刘斌从塔城进攻李福兴，李福兴本人也被生擒斩首，马赫英带残部逃向绥来，在呼图壁西南石梯子被刘斌部悉数歼灭。马赫英之死，是马仲英的战略上失败的第一步，盛世才解决了马赫英，已经牢牢控制了北疆。
同时刘斌的部队开始从塔城向伊犁步步紧逼，试图逼迫张培元就范。张培元随即发表告新疆全体民众书，宣称要与马仲英合作，在新疆南北实行分治，并彻底消灭盛世才。1933年12月27日，张培元在伊犁发表通电，自封为北疆总司令，表示与南疆总司令马仲英联合讨盛。1934年1月1日，张培元部攻陷塔城，缴获了苏联运送给盛世才的大批枪械，并击毙了盛世才派到塔城负责守备的原迪化警备司令邢占元。随后张培元主力杨正中旅开始向迪化方向攻击前进。盛世才委任刚歼灭马赫英部的刘斌为伊犁总司令，指挥归化军东北义勇军从绥来向乌苏进发迎击张培元。
10月11日，盛马双方在达坂城交火，盛军大败，死伤惨重。此时伊犁张培元也挥兵东进，准备与马仲英东西夹击，打垮盛世才。盛世才感到形势对自己十分不利，急请苏联出兵支援，经过精心准备的苏联红军于1933年12月和次年1月分别从霍尔果斯进入伊犁，从苇塘子进入塔城，拔除了张培元的大本营。在苏军入疆参战的鼓舞下，刘斌部在呼图壁三道河子相遇杨正中旅，杨旅军心涣散，大部分官兵不战而降。杨正中只得带残部退守精河。而张培元在伊犁遭到苏军釜底抽薪雷霆一击，顷刻瓦解，张培元见大敌东西夹击，大势已去，情急中准备从伊宁翻越天山逃亡阿克苏。途中开枪自杀。
在马仲英围攻同迪化期间，盛世才亲任迪化城防总司令，指挥作战。1934年1月12日晚，省军防守部队与马仲英主力在迪化郊区芨芨槽子激战竟夜。省军不支退守城区，至此，马军已经将迪化围得如铁桶一般。马军骑兵势不可挡，潮水一般猛攻南梁，省军则顽强阻击，双方各不相让，打的难解难分，伤亡都很惨重，形成了对峙局面。1月18日，苏联红军从塔城派出飞机前来援助盛世才，这些飞机使用重型炸弹不间断轰炸马军阵地。苏军的轰炸收效极大，给马军造成很大伤亡。1月19日凌晨，马仲英集中优势兵力，利用苏军飞机未到的时间，突然对南梁发起猛攻，迅速夺取大片阵地。守军在前来增援来的归化军援助下又抢回了丢失的阵地。一天恶战后，马军伤亡高达千人，再无气力对迪化发起大规模进攻了。
而此时一战消灭了张培元的苏联红军，回身开始东进。苏联红军号称阿山军，兵力大约一个师，全部是摩托化步兵。不过在头屯河一战，苏军被马仲英迎头痛击，损失惨重。苏军痛定思痛，连忙调派机械化部队从塔城入境增援。防卫迪化的盛世才指挥城内省军从城内配合苏军也发起进攻，在双方夹击下，马军迅速收缩，于傍晚全部撤退到芨芨槽子。由于天色将黑，天降大雾，能见度很低，省军和苏军并未追击败退的马军，致使马仲英能够从容撤走。至此，迪化被马军围攻32天之久的第二次迪化攻防战结束，这一天也是农历新年除夕，饱经战乱的迪化百姓过了一个喜庆的新年。