清乾隆二十三年(1758年)十月，定边将军兆惠亲率四千清兵先行抵达叶尔羌城外约四十里的黑水河畔，并于此扎营，时称“黑水营”。此时天山南部的大小和卓叛乱已持续一年多，而叶尔羌城就是小和卓霍集占的大本营。霍集占见兆惠来势凶猛，一边命令城中加强防御，一边派出几百人的轻骑兵前往骚扰清军打探虚实，结果连派三次都被清军打败。兆惠虽然小胜，但并没有贸然行动，因为双方实力相差甚远，叶尔羌城中不仅有步骑一万五千余人，而且其东南方向的喀什还有大和卓派来的援军。因此，兆惠按兵不动，边寻找作战机会边等待后续部队，同时安排副都统爱隆阿领八百清兵往东南方向出发，以迎击喀什方向的敌军。
双方对峙中，清军粮草逐渐不敷使用。某天，探马带回消息说，离黑水营数十里处有人放牧上万头牛羊，可以抢来当军粮使用。兆惠闻讯大喜，亲带千余骑兵前往，刚至半途，叶尔羌城的叛军倾巢而出，将兆惠等人包围其中，兆惠率军死战突围成功，但随行清兵伤亡过半。随后，霍集占的叛军团团包围了黑水营，由此拉开乾隆中期的清军最大防御战---黑水营之战。
叛军包围黑水营的第二天，就发起了猛烈攻击，双方血战五日不分胜负，兆惠眼见叛军实力强大，除了让清军尽快构筑防御工事加强固守的同时，还安排使者急速向驻扎在阿克苏的后续部队求援。
应该说清朝前期的清军战斗力还是很厉害的，即使在外有强敌，内缺粮草的情况下依然保持了让霍集占叛军畏惧的力量。所以叛军除了前期全军出击攻打黑水营几次，之后开始逐渐减小攻击规模但增加攻击频率，又在黑水营周围建造了数不清的堡垒，将黑水营团团围住，其用意很明确，就是跟清军耗下去，等清军粮草殆尽后，收拾起来就不费吹灰之力了。
围困中的兆惠让人在营地内四处挖掘地窖掏老鼠找粮食，结果竟找到窖藏的五百石小麦，可以维持半月左右，军心略安。叛军围攻期间，曾用水攻的办法来淹没黑水营，结果适得其反，原来黑水营中有暗河，叛军引来的水一部分由暗河流走，一部分跟围困中的清军提供了水源。黑水营中林木非常多，叛军所用鸟枪打出的铅子都嵌在树上，因此每次叛军放完枪，清军都到树上抠出铅子重新使用。所以依营据守的清军不缺水源，不缺武器，唯一缺的还是粮食。等到骑兵的瘦马，无粮食可载的骆驼都被杀光吃尽后。清军开始吃每天俘虏的叛军，偶尔会俘虏到叛军夫妻，则杀其丈夫，让其妻子烹煮，吃完奸宿，第二天再杀死吃掉。这些俘虏被杀时皆默不作声，任人宰割。这种情形一直持续到年底。
乾隆二十三年的除夕那天，兆惠部下素以吝啬著称的总兵明瑞突然邀请高级将领们前往他的大帐中宴饮，宾主落座后谈及当前形势，都认为最多再撑十天，在座各人将全为鬼魂。席间，明瑞有点不好意思的说：“我出玉门关时，有人送了些牛肉尚未吃完，今天请大家共享，算是苦中作乐吧!”当时军中无粮已经有半个月，众将听闻此话大喜过望，都饱餐而回，有些人私下里大哭说：“连明公这样的人都不留后路了，我辈结果可想而知!”
此时距十月初被包围已经一百多天，援军尚无消息，已没有生还希望了。
实际上兆惠的清军被困黑水营一事，清廷也在紧急调兵遣将救援，派遣的援军也正在赶来的路上。乾隆二十四年(1759年)正月初六，前往黑水营救援的三千清军遭遇前来堵截的叶尔羌叛军五千余人，清军且战且进。初九日，另外一支援军约一千五百多人也加入战阵，两支援军合为一处，士气大涨，一举攻到黑水营外。兆惠于黑水营中听闻援军已到，立即组织残兵反攻，叛军在清军内外夹攻下死伤一千余人，立即退回叶尔羌城。十四日，兆惠军与援军会师退回阿克苏休整。
史家认为黑水营防御战有重要意义，此战清军不仅打乱了大小和卓的攻击意图，还展示了清军的强大战斗力，又释放出清廷铁血平叛的坚定决心。最关键的是，很多不稳定因素在此战过后逐渐铲除。不然，到了危机四伏的晚清，只怕十个左宗棠也收不回新疆!
兆惠所部在阿克苏休整到四月份，期间乾隆不断给他增兵，又扩大后勤补给线，命令他尽快出击。后在当年的七月份，大小和卓之乱终于被平定，从而结束了天山南北地区的分裂局面。