同治九年（1870年）春，清軍對金積堡的圍攻進入白熱化階段。劉松山率老湘營連破外圍堡寨數百座，將馬化龍的核心防線壓縮至堡牆三丈之內。此時的金積堡內糧草斷絕，戰馬啃食樹皮充饑，堡外清軍壕溝縱橫，形成合圍態勢。馬化龍在絕境中祭出慣用的詐降策略，派遣使者向劉松山遞交降書，聲稱願率部歸順朝廷。
劉松山深知馬化龍反覆無常的習性，此前馬化龍曾多次以詐降換取清軍暫緩進攻。同治八年（1869年）冬，馬化龍曾向劉松山獻出五百石糧食，換取清軍暫停對吳忠堡的進攻，實則暗中加固防禦工事。此次詐降書送達時，劉松山正面臨後勤壓力——清軍糧道屢遭回民騎兵襲擾，靈州至金積堡的補給線時斷時續，士兵每日僅能領到半碗粟米。
劉錦棠與董福祥聯名勸阻劉松山，指出馬化龍的降書疑點重重：金積堡內仍有千餘匹戰馬未交出，堡牆新增的射擊孔顯示防禦工事仍在加強。董福祥特別提醒：“回軍慣用誘敵之計，九旗堡之役簡敬臨便是前車之鑒”。同治八年十二月，湘軍悍將簡敬臨率四營兩千人攻打九旗堡時，因輕信回民軍詐降，遭伏兵突襲，全軍覆沒，簡敬臨被生擒活剮。但劉松山認為戰機稍縱即逝，若能兵不血刃拿下金積堡，可提前結束西北戰事。他力排眾議，決定親率三十騎前往馬五寨受降。
二月十四日辰時，劉松山身着三品武官補服，率衛隊抵達馬五寨東門。寨門緩緩開啟，馬化龍的侄子馬五率數十人迎出，聲稱叔父正在寨內準備降表。當劉松山進入寨門時，兩側窯洞突然射出密集槍彈，衛隊中三人當場斃命。劉松山坐騎受驚前沖，被預先埋設的絆馬索絆倒，他滾落塵埃時，數支火槍同時對準其左胸開火。
親兵隊長王得魁拚死將劉松山拖入街角土牆後，發現其左胸中彈七處，右肩貫穿傷深可見骨。此時寨內伏兵從屋頂、地道蜂擁而出，董福祥率後續部隊趕到時，劉松山已陷入昏迷。突圍過程中，衛隊僅存八人，劉松山被抬回清軍大營後，於當日酉時傷重身亡，年僅三十八歲。臨終前，他對董福祥留下遺言：“悔不聽君言，致有此禍”。
劉松山之死引發連鎖反應。回民軍趁機發動反攻，馬正和部奪回峽口，切斷清軍西路糧道；白彥虎部攻破固原，兵鋒直指平涼。左宗棠在平涼行轅接到戰報後，立即調整部署：命劉錦棠接統老湘營，黃鼎率彝兵馳援金積堡，雷正綰部嚴防叛軍東進陝西。
劉錦棠採取“圍三闕一”戰術，故意留出金積堡北門缺口，卻在秦渠沿岸埋設連環雷。回民軍突圍部隊遭伏兵截殺，折損過半。同時，清軍切斷金積堡與河州、西寧的聯繫，馬化龍求援無果，堡內開始出現人相食的慘狀。據《平回志》記載，至同治九年十月，金積堡內“人皆相食，析骸而爨”。
同治十年（1871年）正月，金積堡內糧絕已久，馬化龍被迫自縛出降。劉錦棠在堡內搜出私藏的俄制步槍一千二百支、火藥三萬斤，證實了詐降陰謀。左宗棠親赴金積堡督戰，下令將馬化龍父子及七十二名叛軍首領凌遲處死，其餘三千餘名降卒發配邊疆。
此役清軍損失慘重，包括簡敬臨、姚連升等七位提督戰死，普通士兵傷亡逾萬。金積堡之戰成為左宗棠西征的轉折點，此後河州、西寧、肅州的回民武裝相繼被平定，為收復新疆奠定了基礎。
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