明正土司，公开对抗清朝军队。面对这一局势，乾隆帝命令大学士、定边将军费莫·温福自云南赴四川，率军征讨。
温福鉴于阿桂熟悉四川的情况，决定带他一同前往金川战场。同年十二月，阿桂抵达金川后，由于四川提督董天弼在战场上表现不佳，阿桂被任命为代理提督。清军分两路进攻小金川，阿桂随温福从汶川出发，桂林则从打箭炉出发。在初期战斗中，阿桂率军接连攻克巴郎拉、达木和巴宗等要塞，展现出了卓越的军事才能。
乾隆三十七年（1772年）二月，阿桂继续推进，占领了资哩山和阿喀木雅等地，并因此被授予参赞大臣的职位。然而，桂林在墨垄沟的战斗中失利，被免职。阿桂随即被任命为南路指挥，成为独当一面的大将。阿桂抵达军营后，迅速制定了进军策略。他发现小金川僧格桑盘踞于小金川河北的美诺，而要想攻取美诺，必须先控制其门户僧格宗。为此，阿桂决定首先争夺甲尔木山的战略要地。
在八月的一个夜晚，阿桂利用大雾天气，带领部队秘密集结于墨垄沟，并在拂晓前突然袭击，成功抢占了甲尔木山。乾隆帝得知后，特颁旨嘉奖，并授予阿桂内大臣之职。十一月，阿桂攻占僧格宗，并在十二月被任命为副将军，与温福和丰升额共同进攻美诺。阿桂攻克美都喇嘛寺后，僧格桑被迫逃入大金川与索诺木会合。
阿桂与温福、丰升额会师美诺后，要求索诺木交出僧格桑，但遭到拒绝。乾隆三十八年（1773年），阿桂与温福、丰升额共同上奏，请求三路进攻大金川。此时，阿桂又被授予礼部尚书的职位。在进攻初期，阿桂等人连夺叛军多个要塞，进展顺利。然而，由于温福指挥失误并在战斗中阵亡，战局发生了逆转。索诺木趁机占据小金川，阿桂得知消息后，冷静应对，亲自断后，成功撤退至达河。
乾隆帝在热河行宫得知兵败的消息后，决定加强兵力，授予阿桂定西将军之职，并调派健锐、火器营及吉林索伦兵共四千人支援。阿桂迅速收复了小金川全境，乾隆帝对此大喜过望，赐诗表彰阿桂，并命其迅速转战大金川。
然而，大金川的防御远比小金川坚固，阿桂深知攻克难度较大。他做了充分准备后，于乾隆三十九年（1774年）兵分三路进攻大金川。经过两年的激烈战斗