9年，湘军将领刘松山任陕西各部清军总指挥，以一点开花，中心突破的战法直接突破董福祥的外围防线，大胜董军于瓦窑堡。
同年十二月，董福祥全军投降清军刘松山部。
董福祥投降清军后，刘松山赏识其军事才能，委以前敌总指挥。董福祥所部经过精减，被编为“董字三营”。
董福祥率领“董字三营”，冲锋陷阵，屡立战功，很快打消了左宗棠、刘松山等人对其的疑虑。
同治八年（1869年）12月11日，董福祥在攻打吴忠的战斗中亲身肉搏，虽受伤不下火线，为夺取吴忠立下头功，左于是同意正式将董字三营编入官军序列，成为刘松山手下的一支劲旅。
同治九年（1870年）2月，在金积堡战役中，刘松山不听董福祥的劝告，亲自前往马化龙营中受降，不料中弹身亡，临终前他将侄子刘锦棠托付与董福祥，董福祥遂忠心辅佐刘锦棠。
同治十年（1871年）3月2日，马化龙在被围将近两年后投降，被刘、董以藏匿武器的罪名处死。董福祥其后受命镇守金积堡，将其改建成董部的大本营。
同年，董福祥用开花炮猛轰马家滩回民军堡寨，回军死伤惨重，一日之内回寨尽毁。
同治十一年（1872年），董福祥率部进军河州，打败甘肃回军马占鳌部，迫使马占鳌投降，被提拔为参将。董福祥在战斗中对待敌军十分凶残，“以鲜血染红顶子”这句名言便是出自董福祥之口。
同治十二年（1873年）9月，董福祥进剿西宁回军，回军首领白彦虎连吃败仗，逃入中亚。
光绪元年（1875年），左宗棠率大军以刘锦堂为先导，“董字三营”为主力，西征新疆，反击阿古柏侵略势力。“董字三营”系西北土生土长的部队，不惧风沙，冲锋在前，大破天山木里河、古牧地后，一举收复乌鲁木齐，攻克玛纳斯城，首战告捷。
光绪三年（1877年）4月：左宗棠令诸军三路并进，直取南疆，董福祥率甘军翻越天山，急行军1200多里，攻克南疆门户达坂城，杀敌甚众。接着步马兼程，收复托克逊城，俘敌2万余众。五月，阿古柏被部下所杀，白彦虎向俄境逃窜。八月，清军开始追歼南疆残敌，董军任先锋，接连攻克喀喇沙尔、库车、阿克苏、乌什等城，接着又马不停蹄，穿越人迹罕至的塔克拉玛干沙漠，收复了喀什噶尔、英吉沙尔、叶尔羌以及和阗四城。至此，南北疆全部收复。阿古柏政权灭亡后，英俄对此并不甘心，仍然扶持残部