经过平叛清军长时间英勇的消耗战，马化龙罪恶的金积堡基地最终耗尽了粮食储备。到了1870年9月，刘锦棠在金积堡周围的500多个碉堡中攻克仅剩下十几个了。为了加强攻击，刘锦棠从上海运来德国进口的克虏伯攻城炮，并配备了多名经验丰富的炮手军官。尽管炮弹未能炸开据说厚达35英尺的金积堡城墙，但刘锦棠任在10月份建立了一座大炮阵地，成功地将炮弹射入城内。

金积堡的叛军陷入了绝境，只能依靠草根和死者的遗体来充饥。在无法忍受的困境下，马化龙于1月份向刘锦棠投降，交出了包括46门山炮、293门土炮、1030支猎枪和180支洋枪在内的武器。左宗棠暂时搁置了对马化龙的处决，希望他能够劝说其他甘肃回民投降。然而，没有重要的首领愿意出来投降。

当清军在金积堡内发现了隐藏的1200多支洋枪时，左宗棠愤怒下令凌迟处决了马化龙及其成年男性亲属。大约800名叛军参谋和军官以及1000名士兵被处决。幸存下来的1.4万名健壮居民（包括多达11万名的陕西回民）被迁移到平凉附近。而2万名叛军的家属则被送往甘肃南部的难民营。清军则得到了许可，大肆堡内搜刮财物。

与此同时，那些在1869年已投降刘松山的陕北劫掠者，他们是汉族血统，被左宗棠鼓励携带家人定居于金积堡，将其转变为一个汉族城镇。