清乾隆二十三年(1758年)十月，定邊將軍兆惠親率四千清兵先行抵達葉爾羌城外約四十里的黑水河畔，並於此紮營，時稱“黑水營”。此時天山南部的大小和卓叛亂已持續一年多，而葉爾羌城就是小和卓霍集佔的大本營。霍集佔見兆惠來勢兇猛，一邊命令城中加強防禦，一邊派出幾百人的輕騎兵前往騷擾清軍打探虛實，結果連派三次都被清軍打敗。兆惠雖然小勝，但並沒有貿然行動，因爲雙方實力相差甚遠，葉爾羌城中不僅有步騎一萬五千餘人，而且其東南方向的喀什還有大和卓派來的援軍。因此，兆惠按兵不動，邊尋找作戰機會邊等待後續部隊，同時安排副都統愛隆阿領八百清兵往東南方向出發，以迎擊喀什方向的敵軍。
雙方對峙中，清軍糧草逐漸不敷使用。某天，探馬帶回消息說，離黑水營數十里處有人放牧上萬頭牛羊，可以搶來當軍糧使用。兆惠聞訊大喜，親帶千餘騎兵前往，剛至半途，葉爾羌城的叛軍傾巢而出，將兆惠等人包圍其中，兆惠率軍死戰突圍成功，但隨行清兵傷亡過半。隨後，霍集佔的叛軍團團包圍了黑水營，由此拉開乾隆中期的清軍最大防禦戰---黑水營之戰。
叛軍包圍黑水營的第二天，就發起了猛烈攻擊，雙方血戰五日不分勝負，兆惠眼見叛軍實力強大，除了讓清軍儘快構築防禦工事加強固守的同時，還安排使者急速向駐紮在阿克蘇的後續部隊求援。
應該說清朝前期的清軍戰鬥力還是很厲害的，即使在外有強敵，內缺糧草的情況下依然保持了讓霍集佔叛軍畏懼的力量。所以叛軍除了前期全軍出擊攻打黑水營幾次，之後開始逐漸減小攻擊規模但增加攻擊頻率，又在黑水營周圍建造了數不清的堡壘，將黑水營團團圍住，其用意很明確，就是跟清軍耗下去，等清軍糧草殆盡後，收拾起來就不費吹灰之力了。
圍困中的兆惠讓人在營地內四處挖掘地窖掏老鼠找糧食，結果竟找到窖藏的五百石小麥，可以維持半月左右，軍心略安。叛軍圍攻期間，曾用水攻的辦法來淹沒黑水營，結果適得其反，原來黑水營中有暗河，叛軍引來的水一部分由暗河流走，一部分跟圍困中的清軍提供了水源。黑水營中林木非常多，叛軍所用鳥槍打出的鉛子都嵌在樹上，因此每次叛軍放完槍，清軍都到樹上摳出鉛子重新使用。所以依營據守的清軍不缺水源，不缺武器，唯一缺的還是糧食。等到騎兵的瘦馬，無糧食可載的駱駝都被殺光吃盡後。清軍開始吃每天俘虜的叛軍，偶爾會俘虜到叛軍夫妻，則殺其丈夫，讓其妻子烹煮，吃完奸宿，第二天再殺死吃掉。這些俘虜被殺時皆默不作聲，任人宰割。這種情形一直持續到年底。
乾隆二十三年的除夕那天，兆惠部下素以吝嗇著稱的總兵明瑞突然邀請高級將領們前往他的大帳中宴飲，賓主落座後談及當前形勢，都認爲最多再撐十天，在座各人將全爲鬼魂。席間，明瑞有點不好意思的說：“我出玉門關時，有人送了些牛肉尚未吃完，今天請大家共享，算是苦中作樂吧!”當時軍中無糧已經有半個月，衆將聽聞此話大喜過望，都飽餐而回，有些人私下裏大哭說：“連明公這樣的人都不留後路了，我輩結果可想而知!” 此時距十月初被包圍已經一百多天，援軍尚無消息，已沒有生還希望了。
實際上兆惠的清軍被困黑水營一事，清廷也在緊急調兵遣將救援，派遣的援軍也正在趕來的路上。乾隆二十四年(1759年)正月初六，前往黑水營救援的三千清軍遭遇前來堵截的葉爾羌叛軍五千餘人，清軍且戰且進。初九日，另外一支援軍約一千五百多人也加入戰陣，兩支援軍合爲一處，士氣大漲，一舉攻到黑水營外。兆惠於黑水營中聽聞援軍已到，立即組織殘兵反攻，叛軍在清軍內外夾攻下死傷一千餘人，立即退回葉爾羌城。十四日，兆惠軍與援軍會師退回阿克蘇休整。
史家認爲黑水營防禦戰有重要意義，此戰清軍不僅打亂了大小和卓的攻擊意圖，還展示了清軍的強大戰鬥力，又釋放出清廷鐵血平叛的堅定決心。最關鍵的是，很多不穩定因素在此戰過後逐漸剷除。不然，到了危機四伏的晚清，只怕十個左宗棠也收不回新疆!
兆惠所部在阿克蘇休整到四月份，期間乾隆不斷給他增兵，又擴大後勤補給線，命令他儘快出擊。後在當年的七月份，大小和卓之亂終於被平定，從而結束了天山南北地區的分裂局面。
