东路西军和地主民团自广武出发，水陆并进，直扑灵州城和横城。灵州民军在高登云的率领下，一面加固城防，积极做好防守准备，一面向陕北三边民军求援。12月下旬，西军和民团向灵州城发起猛攻。由于灵州城池坚固，民军作战英勇，西军伤亡惨重，只好暂时撤退到距城1.5公里的树林中，再作打算。
此后，西军采取昼伏夜出的战术，每夜派兵小攻大喊，虚张声势，暗中却加紧赶造云梯、护头木板、爬城铁爪等攻城器具。同时派兵日夜不停地挖掘直通城东南角的地道，企图炸毁城墙，攻占灵州城。西军一切准备就绪后，便在一天晚上向灵州城发起总攻。在密集的炮火掩护下，西军架设云梯和用铁爪爬城。民军在高登云的指挥下，击退了一批又一批的攻城西军，敌我双方都付出了沉重的代价。正当战局紧张之时，城东南角被西军炸开了一个缺口，西军立即向缺口涌来。在这紧急关头，守城民军奋力拼杀，终于击溃西军，迅速堵住缺口。战斗持续到天亮，西军再次败退。攻城屡遭挫败的西军，便改变策略，假意提出要与民军议和。他们物色了几个与高登云、马连第有旧交的绅士为代表，进城与民军进行谈判；他们还找了马连第的妻哥当说客，要求民军撤出灵州城，转移到别处去。民军副统帅马连第见西军和地主民团势力强大，也主张议和，并极力劝说高登云答应清军的条件。此时，宁夏府城民军已撤退北走，驻守横城的高士秀也率所部民军东去陕北三边，灵州已成为一座孤城，在“内无粮草，外无救兵”的形势下，高登云答应与西军和谈，撤出灵州城。在和谈时，高登云向西军提出了几个要求：民军撤出灵州城时，西军与民团不打不追，不设埋伏；西军与民团进城后，不得杀人抢掠等，西军首领一一“允诺”。
高登云率领民军撤出灵州城，北走横城，然后沿着明长城撤往陕北，投靠陕西定边民军首领郑思诚，并希望与已在陕北的高士秀所部民军会合。可惜，郑思诚虽为陕西起义民军首领之一，但此人心胸狭窄，心术不正。高登云投靠后，他假装很高兴，并“热情款待”灵州起义民军，暗中却阴谋吃掉这支民军。他在定边以东15公里处的砖井子设下埋伏，将灵州数百民军杀死杀伤。高登云也左臂负伤，后隐居于盐池、定边一带，默默而终。
高登云率领民军撤出灵州城的次日，西军与地主民团进驻灵州，他们并没有遵守与高登云达成的协议，而是按照陕甘总督长庚的指示，“敞刀三日”，大开杀戒。一进城，张绍先之子与知州余重基先联合贴出了一张布告，要求百姓各安其业。然后又制作了许多小白旗分发给城内豪绅官宦之家，悬于各家门首。第二天天一亮，西军沿街呐喊，让人们守在家中不得外出，同时关闭城门，大批西军和民团分头出动，凡没有悬挂白旗的人家，挨门逐户搜杀，无一幸免。不但对参加起义的平民百姓格杀勿论，就是没参加起义的人，凡问话对答不上者或稍觉行为可疑者也是一个不留。余重基说府相后街百姓烧了他的二堂，于是西军和民团又从后街杀起，直杀到东街两侧，从黎明直杀到掌灯时分，东街、后街血流满地，惨不忍睹。有些百姓一看没有生路，便悬梁自尽；有些妇女为免遭奸污，投井自杀。如此一连搜杀3日，百姓磕头求饶，哀哭震天，家财被洗劫一空。高登云的妻子因故未走，被西军搜出斩首示众，高妻临刑时大骂清军，不屈而死。马连第首鼠两端，民军撤退时留家未走，他自以为保护余重基有功，又是力劝高登云撤离灵州之人，西军定能和善相待。然而西军一进城，余重基首先拿他开刀，不但杀了他，而且杀了他全家。“敞刀三日”后，灵州城内尸首遍地，人烟断绝，腥臭气味，数十日不散，整个灵州城陷入一片血泊之中。
西军和民团的野蛮兽行发泄完了以后，又强迫城外百姓用牛车把尸体拉往城北雁虎墩附近挖坑掩埋，人称“万人坑”。据事后统计，灵州城被杀民众约有3000人（一说5000人以上）。
