首先造成西北地区的抗日局面，最关键的是红军占领宁夏及甘西，打通与苏联的联系。正如党中央和毛泽东同志指出的：“打通苏联为实现抗日战争首先为实现西北局面进行部分抗日战争之主要一环。”党中央的军事行动部署，都是紧紧围绕这一主要环节进行的。
10月25日，遵照中央军委的命令，在陈昌浩、徐向前率领下，红四方面军之九军、三十军和五军渡过了黄河，开始执行《宁夏战役计划》。王树声在红军主力会师之前，因长期征战过于累，新伤旧病一起发作，无法适应紧张的战斗生活。为此，组织上决定由萧克接替三十一军军长职务。而三十一军和四军由于种种原因，未能渡过黄河。
组织上本想让身体不佳的王树声留在后方养病。然而，习惯了战斗生活的王树声，在听到出征的战鼓敲响后，怎么能安心养病呢？他又怎么能舍得下长期并肩战斗的战友们呢？就这样，王树声拖着病体，随九军一起渡过了黄河。他万万没想到的是，这次随队西征，竟会败得那么惨，当他从黄河西岸回来时，身后不要说千军万马了，就连一个随从都没有跟在他这位堂堂的红四方面军副总指挥身边。
渡过黄河的红四方面军总共约2.2万余人，当时称为河西部队。他们登岸以后，面临的主要敌人是视红军为不共戴天仇敌的马家军阀。
马家军阀的部队，主要为马步芳、马步青、马鸿宾、马鸿禄和马鸿逵所部，俗称“五马”。红军渡黄河之前，蒋介石即下令马步青布防西岸，阻止红军过河；红军既渡黄河之后，蒋介石又任命马步芳为西北“剿匪”第二防区司令，统一指挥这一地区总数达3万多的正规军和10多万的“国民兵团”，与红军抗争。
马家军阀，代表着西北地区回族上层最反动的封建势力。他们以残暴的手段压迫和剥削当地回、汉等族人民，又以狭隘的民族观念和宗教迷信统治军队、蒙骗群众。他们与国民党反动派蒋介石集团，既有矛盾，又相互勾结，在反对共产与红军为仇敌的军阀马步芳。党这点上是共同的，并极其顽固。马步芳号称“野马”，性情残暴，反共坚决，有当“西北王”的野心，比马步青更反动些。坐地称王的封建军阀，历来视地盘为生命。马步芳一怕渡河红军西进，扼控河西走廊，进攻青海，端掉他的老巢；二怕蒋介石以“剿共”为名，派嫡系部队深入河西，吞并他的地盘。
11月11日，党中央及军委下达命令，决定方面军河西部队改称西路军，成立西路军军政委员会，陈昌浩为主席、徐向前为副主席、王树声为委员之一。同时决定放弃《宁夏战役计划》。为西路军规定的主要任务是打通新疆。
随即，西路军按上述战役计划，分三个纵队向西进击了：第一纵队为三十军，在右翼，由一条山向大靖前进；第二纵队为九军，在左翼，由镇虏堡向右浪前进；第三纵队为五军，跟三十军行进。总指挥部直属队和王树声，仍随九军行动。
11月15日，九军以迅猛的攻势袭占了古浪城。
古浪为“河西走廊”要冲，是一个不大的小城镇，坐落在西面夹山的川道里。地势较低，城垣因地震被毁，加之年久失修、残破不堪，极不利于防守。城的东北面是一片开阔的沙石地段，十分平坦，便于骑兵活动。城南和西南方向是乌鞘岭，距城最近的南山，居高临下，俯瞰古浪城。
九军刚刚占领古浪，围堵的敌人就蜂拥而至。11月16日拂晓，敌人3个骑兵旅、2个步兵旅，另加2个民团，在飞机、大炮配合下，从西南和东北向古浪城发起了闪电般反攻。九军指挥员仓促迎战。那破烂的城垣，以及用箱笼之类草率堆砌的工事，怎能抵得住飞机和大炮的轰炸？阵地很快被摧毁，敌人突入城内。多亏九军广大干部和战士，奋勇抗击，反复肉搏，方驱敌后退；但在反击中，又遭敌骑兵的逆袭，伤亡不轻，护城河水为之血染。
就是这样，九军同数倍与己之敌，苦战3日，方在三十军1个团的接应下，撤出重围。这一仗，虽然杀敌2000多，但九军自身损失，也逾2000；军参谋长陈伯稚、二十五师师长王海清、二十七师政委易汉文等，都在战斗中壮烈牺牲，九军的元气大受损伤！
王树声自渡河组成西路军以来，一直是跟随九军行动。他虽然身为西路军副总指挥，但并没有分工他负责九军的工作。九军的一切事务仍由军长孙玉清、政委陈海松等人负责。对九军在古浪作战中的失利，他不能说没责任，但主要责任不在他。然而，作为西路军的主要领导成员，眼看九军遭受了三分之一的损失，他能不痛心疾首吗？
经组织决定，由王树声和让李聚奎代替被撤职的孙玉清负责九军工作，分别任军长和参谋长。王树声感到这副担子实在不好挑。尤其是对一个刚打了败仗的部队来说，人员损失还是有形的，更要命的是士气和精神上的损失更厉害。如果不能及时抓好整顿、善后工作，部队就将涣散为捏不拢的沙土，就会丧失战斗力。李聚奎原在一方面军工作，红军会师后，调到四方面军工作，王树声尽管以前和他不太熟悉，但他决心和李聚奎、陈海松等同志一道，认真总结失败的教训，尽快消除干部战士心头的阴影，在新的战斗中，重振九军往日的雄风。
从11月上旬到12月上旬，西路军在山丹、永昌、凉州地区，奋战月余，毙、伤敌约6000余人。但敌人依仗其源源不断的补充，实力并没有受到削弱。而西路军则由过黄河时的近2.2万余人，减至1.5万余人。严重的减员，使西路军的处境愈加恶劣。
山丹、永昌、凉州一线，地处河西走廊的蜂腰部。北临古长城外荒凉的大沙漠，南靠终年积雪，海拔为四五千米的祁连山，中间是条狭长的“弄堂”。人烟稀少，在百余里长的狭长地区，人口不足11万，村庄零落，大路两旁，尽是荒凉的戈壁滩，极利于敌人的骑兵运动。当地没有党的工作基础，居民回汉杂处，对党和红军的主张多不了解。加之，马家军和民团多系本乡本土的人员组成，红军是“异乡客”，短时间内很难打破民族隔阂与宗教观念，同当地群众融成一片。这一带又是马步青的中心地盘，临近西宁，是“二马”必须拼死与我军争夺的战略要地。不论从地形、给养、民情、敌情条件来说，都不容我们持久立足，与敌周旋。
正当西路军在永昌、凉州一带与马匪军鏖战之际，一声惊雷震天地，“西安事变”爆发了。黄河以东出现了有利于红军的巨大变化。根据当时的政治和军事形势，西路军奉命于永昌地区就地休整，伺机东进，策应控制兰州的友军和河东的红军。
不久，“西安事变”和平解决。
10月底，西路军根据中央军委的电令，再次西进。
隆冬时节，冰天雪地，堕指裂肤。我军指战员，衣衫褴褛，饥肠辘辘，冒着零下二三十度的苦寒气候，长夜行军，真是艰苦至极。“明月出天山，苍茫云海间”，巍巍祁连山的雪山冰峰，笼罩在朦胧月色中。硬如铁石的戈壁滩上，响着我军坚定不移的步伐，像一道钢铁洪流，滚滚向前。这些来自鄂豫皖边、川陕边和宁都暴动的英雄儿女，赤胆忠心，顽强不屈，目标只有一个：为了胜利，为了明天。任何饥饿、严寒、风暴、伤病、死亡的阴影，都吓不倒他们。他们不愧是中国共产党缔造和领导的红军队伍，不愧是全心全意为人民利益而奋斗的猛士。
这样的部队，的确难得啊！
马家军发现我军西进，集兵尾追，不时突袭。西路军以五军开路，三十军殿后，前攻后卫，边打边进。1937年元旦，五军一举攻占高台，守敌保安队、民团共1400余人，全部投降，接受改编。从永昌、山丹、临泽逃往高台的一批反动政府官员，亦束手就擒。1月上旬，总指挥部及三十军、九军先后进驻倪家营子。这一带粮食较多，原准备略作补充和休整后继续西进。
倪家营子，南北长16里，东西宽3里，像个长方形的军棋盘，大小四五十个黄土围子，稀稀落落地点缀其中，像是竖立的棋子。一个围子内住一两家或三四家人家。有钱人家的围子厚三五尺，高的像城墙，筑有垛口和望楼，叫作屯庄；一般人家的围子稍薄些、矮些，没有望楼，叫庄子，庄与庄之间往往隔着田野、沟渠和树木。倪家营子南面高、北面低，人们习惯地把南半部叫上营子，北半部叫下营子。村子外围有老百姓的耕地，大部分都是荒凉沙石地、戈壁滩。往南走10里就是祁连山，往北去就是大沙漠地带。村子本身不是十分集中，部分寨子还被敌人占据。
两路军占据着下营子的全部和上营子北边的两三个屯庄。部署是程世才军长、李先念政委率领的红三十军在阵地的西南方向；王树声率领的红九军在东北方向，两军阵地相接。这两军共10个团（每团有800人左右），是主力。另有总直属队和五军剩下的小部分人，驻在下营子中部较坚固的土围子内。1月31日，马匪军开始向倪家营子发动进攻。敌首先用猛烈炮火轰击，炮声一停，敌军在督战队的威逼下，就像羊群似的猫着腰冲上来。我军的战士从坍塌的工事里、弹坑里钻出来，冒着敌人轻、重机枪的弹雨，沉着地坚守在阵地上，瞄准射击，杀伤敌人。我军连一门迫击炮也没有，全靠近战对付敌人。每当敌人冲到我军阵地前沿时，部队突然冲出围子，进行反击，肉搏格斗，杀退敌人。有些围垣被炮火击毁，指战员利用断墙残壁，拼死坚守，直至将冲进的敌人杀出。
由于弹药奇缺，战士们就挥舞着长枪、大刀、木棍，以及一切可以当武器的东西，与敌拼搏。有的手中武器毁了，就赤手空拳，扑向敌人，拳打、脚踢、口咬，扯下敌人的耳朵，抓掉敌人的胡子。有的重伤员也至死不下火线，不少人拉响了护身的手榴弹，与周围的敌人同归于尽……
在这里，没有男同志和女同志、轻伤员和重伤员、战斗人员和勤杂人员的区别，屯自为战，人自为战，举刃向敌，争为先登。围墙被炮火轰塌，血肉就是屏障，前面的同志倒下去，后面的同志堵上来。轻伤员不下火线；重伤员倒在地上，仍紧握手榴弹，准备与敌人同归于尽。在这里，生存就是战斗，战斗就是生存。指战员的智慧、勇气、力量发挥到最大限度，为了胜利，为了红军，为了人民。倪家营子苦战的日日夜夜，显示了西路军攻如猛虎、守如泰山、以一当百、凛然不屈的顽强战斗意志和战斗作风。在红军战史上，写下了可歌可泣的光辉篇章。
这时刻，作为高级指挥员的王树声，不但每战必身先士卒，而且战斗间隙，还不断跑来奔去，慰问战士，鼓舞斗志。他常在阵地上，给大家讲打骑兵的战术，还教大家唱革命歌曲。有一首《起来吧，同胞们》的歌他最爱唱，是他自编的词：
起来吧，同胞们，
日本狗强盗抢占我东北，
又占我河北，
中国快完了！
我们要赶快团结起，
保卫祖国，收复失地，
实行对日作战，
胜利一定是我们的！
勇敢前进，前进，
中华解放万万岁！
就这样，一直拼杀了月余。虽消灭敌人上万，但西路军全部兵力，也不足万人了。
2月21日，西路军军政委员会鉴于长期困守无望，决定回师东返。当晚，分两路突围。王树声率九军为右翼。24日进至甘州西南的西洞堡、龙首堡一带，九军配合三十军将追敌1个骑兵旅及宪兵团击溃，毙伤其400余人。次日，敌人又追来，我军将马步芳新式装备的青海省宪兵团全部歼灭，缴枪1200余支及战马、子弹等大批物资。
这些胜利，打击了凶敌的锐气，鼓舞了自己的斗志，本有利于西路军摆脱险境，迅速东返。但西路军主要负责人陈昌浩却过高估计了这一胜利的作用，认为敌我力量已经起了决定性的变化，于是确定重返倪家营子，准备继续西进，完成既定的任务。
2月26日，部队返抵倪家营子。这时，被敌洗劫一空的倪家营子，已遍体鳞伤，房屋倒塌，寒风飕飕，满目苍凉。到处是破砖烂瓦，看不见一个人影，听不见一声鸡啼。部队离开倪家营子之前，曾留下一些不能行动的伤员，托付给当地百姓照管。可是，现在伤员们有的被剥得赤条条地冻死在庄前老塘坑里；有的在庄里被石头砸碎了脚踝骨和脑袋；也有死在门前和开阔地里的。看样子许多同志都曾经与敌拼搏过。只有一部分同志藏在死尸堆里、羊圈里、板坑底下得以幸免。
2月27日天刚亮，敌人就来进攻了，他们以主力对付我军主力。一天中反复冲杀三四次，到了黄昏，我军将敌人击退形成对峙局面。
二次回到倪家营子，战斗比前次更加激烈和艰苦。敌人的兵力增多了，我军的兵力逐渐减少。敌人对我军包围更加紧缩，进攻路数也加多了，梯队重叠，步步推进。而我军驻地房倒屋塌，吃住更加困难了。
经过几个昼夜的血战，我军几乎弹尽粮绝，特别是没有水喝。把米袋里唯一的一点米倒出来，没水煮，只好在锅里炒炒吃。我军没有轮换使用的兵力，战士们昼夜不眠，有人打着仗就睡着了。不添油的灯是会灭的，再顽强的生命力，得不到一点养息，也不能永远支持。西路军面临的情况已经严重到了极点。已到非突围不可的时候了。
3月11日夜，西路军再度突围，向西北转移。
考虑到西路军四川籍战士较多，熟悉山地战，总部遂决计向祁连山转移。
3月12日，不满3000人的西路军刚抵祁连山的梨园口，敌骑兵又蜂拥而至。在朦胧的晨曦中，只见东北方向尘土飞扬，刀光闪亮，数不清的敌人骑兵分两路向红军追来。当时情况十分紧急，敌人已经占领东面的山头，就要对九军形成包围，在这危急时刻，担负后卫的九军，在王树声指挥下率先抢占了梨园口西山头，力抗追敌，掩护三十军展开。
疯狂的敌人把王树声率领的九军包围得里三层、外三层水泄不通。敌人向小土围子攻击了好几次，都没有打进去。战士们在王树声军长和陈海松政委的指挥下，沉着顽强地抗击着敌人。当时子弹非常缺乏，每个战士身上只有两三发。王树声和陈海松嘱咐大家要节省子弹，不能放空枪，要保证每一颗子弹都打中一个敌人。打了很长时间，敌人还是没有攻进来。后来，敌人用山炮向土围子猛轰，终于打开了几处缺口。战士们怀着愤怒的复仇火焰，与冲进来的敌人反复地拼杀。子弹打光了用刺刀捅，刺刀捅弯了用大刀砍，石头砸……杀得敌人满山遍野都是尸首。九军的战士们宁可流尽最后一滴血，也决不向敌人投降。战斗是这样激烈，仅仅几小时，就有2个多团的红军，在阵前洒尽热血；军政委陈海松、宣传部长黄思彦，二十五师政委杨朝礼等当场献身。王树声也是不停拼杀，才在董元国等一批警卫员的奋力掩护下，得以死里脱身……
军政委陈海松牺牲时年仅23岁！朱总司令对这位年轻的军政委很欣赏，他曾经在红军南下时总部举办的一期师以上干部训练班上赞叹道：“好一个年轻的军政委，后生可畏。将来一定会大有作为。”可惜，未等他发挥更大作为的时候，就为国捐躯了。
3月14日，西路军全部转移至康隆寺南40里的石窝地区，再遭敌骑兵袭击，损失2个团。至此，全军仅剩1500余人，又被山下敌2个旅死死包围，情况危急已达顶点。
