羌人初时只有数百人稀稀拉拉步哨于山顶，查看谷外动静。后见汉军撤离谷口，皆从东北方向过来，又击鼓进军，声势浩大，忙上报到先零羌首领处。先零羌首领见状，只道汉军真的要攀山来攻，果然也纠合各部人马，从谷内寻平坦途径登山，全部驻防于山顶。一时间，箭如雨下，羌人占据地利，火力明显占优；而汉军则步履艰难，勉强靠前军撑起的大盾用作抵挡，行进至半山腰处，再也向上不得。
上不去没关系，只需进入羌军的弓箭射程内，耗着就行。马援此来，其实就是来充当箭靶子的，而且为了吸引得羌人全军出动，特显眼地立于“马”字牙旗之下，就差对敌军高喊一声：“向我放箭”了！
很快，他为自己这一举动付出了代价。
冷不防间，一支流矢袭来，径将其小腿射穿。马将军不幸挂彩。但因他所筹谋的战术目的尚未达成，也只得稍稍止血，继续死撑，一直从正午撑到傍晚，眼看夕阳西下，夜幕降临。双方相持到这时，都已是筋疲力尽，箭矢将绝，但因汉军未撤，羌军也不敢轻举妄动，仍是大多留驻于山顶之上。
突然间，只听见谷内一片喧哗，紧接着便是火光冲天，帐篷、粮草等物被陆续点燃。原来是马成率八百骑，趁着夜色的掩护，已从西北杀入谷内，直捣羌人腹心。羌军绰不及防，尚未来得及详查这支神兵天降的部队是从哪来的，谷中那些随军前来，打算长期于谷中安家的老少、家眷们已嚎哭一片，夹杂在着大量四处乱窜的马匹、牛羊之间，齐向谷外逃走，兵败如山倒的惨状显露无遗。羌军受此感染，也紧随溃败，纷纷弃山而逃，迤逦退往西海。
马援一瘸一拐下了山去，带人先往谷中扑灭了大火，另擒获得逃跑不及的羌兵数千人。马成尚欲率一军往西追赶，马援却道：“不必了。羌人侵犯地界，不过为劫掠财物，占地牧马。今谷中粮食、牲畜、器皿等物极多，乃是其数年苦心经营之资，被我等一举缴获，心疼尚来不及，如何肯再来。”当即率汉军以及降众，连夜返回陇西。并遣人先行一步赶往洛阳，呈上战报，借机打探伐蜀一事后续进展。
此时，距离光武帝初召马援回朝的日期，才过去半月，各地州郡将领，知悉者寥寥无几。也正为此，在南方的夷陵，有一人为岑彭之死深感不忿，自请伐蜀，文书亦被送到洛阳。光武帝得了书信，不看内容，先看署名，见是“汉大司马”吴汉，眉头便紧皱了。再看书中内容时，只见竹简上每一字，皆力透竹背，显然是此书作者在写的时候，咬牙切齿，悲愤之情跃然竹简之上，不禁又耸然动容。只见书中写道：臣吴汉，昔日为多用步骑，或多用水军之事，与岑将军常有争论，且出不逊之言。如今思之，方知臣鼠目寸光，才德皆非岑将军可比。今恳请陛下下诏，用微臣接替征西将军一职。若得征进，必循从岑彭用兵之法，数月之内，枭得公孙老贼首级呈上。
光武帝阅完，合上书简，心道：吴汉刚猛有余，机智不足，更兼时有屠城之举，本非可担此大任者；但他求战之念甚切，与兵法中“轻敌者败，哀者胜”之说相吻合，却又可胜此任……思来想去，他终究是追感吴汉已跟了他十多年，鞍前马后，建功无数，不忍拂了其意；再加上马援那边也未明文下诏，只是暗召他回宫议事。于是便回书吴汉道：“朕心意已决，可用大司马继征西将军之任。但你素来行事鲁莽，朕恐有失策之举。入蜀中后，每攻下一地，都当修书向朕回报，凡事不可自专。切记，谨记！”
旨意发往夷陵后，光武帝另作檄文，痛斥公孙述不义之举。但也言明：若他这时尚肯投降，仍不失为万户侯。——可见光武帝虽肯用吴汉，对他平定蜀中之事，并无百分百的把握。几日后，陇西方面，马援书信也到，光武帝虽夺了他伐蜀主将之位，却也想让他和来歙一样，率一军南下策应一番，分散下吴汉的压力。但得闻他与羌人大战方休，数千羌人降众尚未安置妥当，心下难免踌躇。
众臣闻知皇帝有此难题，皆道：“益州为重，西羌为轻。羌人屡次兴兵东进，为的不过是湟水东岸的局促之地。陛下若能下诏，将破羌县以西之地赠予羌人，贼众必不会复来。”
破羌县，位于金城郡西部，为赵充国老将军首置。此地与湟水之间，有二百余里的一带沃土，其中筑有城堡、亭哨等物，起初汉军就是凭此拦截湟水以西的羌人，绝不让他们过得了湟水。到这时，由于已过去近一百年，几代羌人不断迁徙，不断渗透，再加上隗嚣、公孙述等人明里暗里的拉拢，凉州各郡都有羌人迁徙进来，已是大势所趋。因此汉国臣子们心想：反正这破羌县以西之地，作用已是形同虚实，还不如就做个顺水人情，赠予羌人算了。只要他们肯息事宁人，此后不来生事，我大汉就能集中全力，一举讨灭成国。——这才是当下的唯一核心工作嘛。
光武帝对此不置可否，径将群臣的意见拿去问马援。马援分析道：“今羌人数次入侵，都是由湟水以西出兵，故而才进展缓慢，轻易可定。若任由其在湟水以东站住了阵脚，放任不管，数年之后，必是牲畜成群，积粮为山。到那时，便非微臣一旅之师所能胜也。”
光武帝又修书，令人送去道：“但凉州境内羌人，如今已是不在少数。爱卿纵能抵得住湟水之西，但已入凉州境内的各部羌众，又如何却之？”
马援再回道：“湟水之西，微臣以兵讨之；湟水之东，微臣以恩德感化之。陛下若能赐予塞内各部羌人封号，官职，允许其与汉人通婚，立功加以赏赐；并由微臣为之兴修水利，完善城郭，教其穿戴汉人服饰，学习孔孟之道……数代之后，此亦为汉人也，何愁羌人之患难解？”
——好一个“此亦为汉人也！”光武帝见了马援这般回话，如何不喜。又探知马援在上一战得胜后，已将数千投降者分迁到陇西境内各县之中。羌人因他处事妥当，镇抚有法，都肯安心归顺，并无丝毫反抗之举。可见这一策略，确实是可行的。光武帝想到这，真如已得了益州一样高兴。于是下令：赏赐马援牛羊数千头，以嘉奖他的妙策和战功。
马援照单全收后，一转手，便全部分给了部下，军中一片欢腾。皆视马援为“赵充国第二”也。