太平军在攻下布祖卢克镇、塔季谢瓦要塞、塔提舍夫堡、萨克马腊镇、拉瑟普堡、下奥捷尔堡、别尔达村等处后就抓紧构筑战壕、营垒，作长期围困奥伦堡的准备。
亚历山大·瓦西里耶维奇·考尔巴斯骑兵少将、亚历山大·瓦西里耶维奇·萨姆索诺夫骑兵少将、瓦西里·伊万诺维奇·波科季洛哥萨克军准将，顿河哥萨克军参谋长阿列克谢·阿列克谢耶维奇·斯马金准将率领三十万哥萨克骑兵、十万近卫骑兵一路杀到达布祖卢克镇。这时，太平军已得到俄军内线人员情报。在达布祖卢克镇北边二十五公里的地方有总面积一千零六十平方公里的茂密松林，太平军第四陆军师第二步兵旅和一个火箭炮营就埋伏在这片松林里。波科季洛领着五万哥萨克骑兵先到，百余名太平军骑兵抢先向他们开火，然后往松林处逃去。波科季洛领着骑兵紧追不舍，快到松林时，太平军各种火器一起开火，哥萨克骑兵猝不及防，倒下了一大片。波科季洛觉得松林里应该藏不了大的兵团，于是红着眼督着后面的骑兵再次冒着弹雨冲了上去，当部分在枪林弹雨中幸存的骑兵冲到离松林还有一千米多时，二十七门八管火箭炮一起开火，瞬间，俄军骑兵战马乱跳，射程内俄军全部阵亡。波科季洛连忙领兵后撤，清点人数，竟然损折了二万多人。太平军趁此机会，全部迅速撤出松林。当考尔巴斯领着骑兵大队到达时，再去松林，哪儿还有太平军的影子。
当骑炮兵赶到后，波科季洛请求带兵攻打达布祖卢克镇，考尔巴斯给了他三万哥萨克精锐骑兵。俄军骑炮兵集中一百门火炮猛轰太平军壕、垒，炮声一停，波科季洛立即带兵向达布祖卢克镇发起骑兵冲锋。太平军第四陆军师第二步兵旅第一团则集中轻重机枪进行阻击，俄军在太平军铺设的地雷和轻重机枪、步枪的阻射下，一天下来俄军伤亡哥萨克骑兵一万余人。第二天，弗拉基米尔·维克托罗维奇·萨哈罗夫陆军少将，叶甫盖尼?奥托维奇?施密特陆军准将率领的俄军步、炮兵陆续赶到，第三天，沙皇也到了伊列茨克镇，在此设立了总司令指挥部。古大力命袁世凯带第十四陆军师、第五独立骑兵旅、第一炮兵旅继续包围奥伦堡，自率其他部队赶到达布祖卢克镇与俄军对峙。一月间，俄军数次动用三千多门大炮狂轰太平军阵地，太平军火炮数量处于劣势，但火炮性能占优、大口径火炮也较俄军略多、依靠先进炮兵牵引车的火炮机动性也较强，所以利用射程等优势对俄军炮兵阵地采取了火炮游击战术，取得以损失火炮二十多门的代价击毁俄军火炮二百多门的突出战绩，太平军步兵则利用战壕、掩体、土墙等躲避俄军炮火，待俄军步骑冲锋时再出来利用轻重机枪、步枪、手榴弹、小口径步兵炮杀伤俄军，危急关头还动用火箭炮进行单次密集射击，十多次大规模交战下来，双方各伤亡了十余万人，战况呈胶着状态。奥伦堡俄军几次试图突击与沙皇部队内外夹击，都被袁世凯击退。
这时，太平军余粮已不多，古大力决定亲自与约翰·潘兴带第六独立骑兵旅、第七独立骑兵旅、第八独立骑兵旅、三个火箭炮营偷袭塔夫罗波尔河港。在俄罗斯当地天道教徒的带路下，古大力的部队从僻路绕过沙俄军，五天后出现在塔夫罗波尔河港。当太平军的骑兵炮狂轰塔夫罗波尔河港各炮台、兵营时，俄军慌乱了一小会儿后立即组织起来进行还击。这时，太平军飞艇中队四艘飞艇飞来，先是从空中向港口仓库大约位置推下三十多个装满汽油的油桶，然后投下了二百余枚燃烧飞弹，塔夫罗波尔河港各大仓库立即燃起熊熊大火，太平军见仓库起火，埋伏好的三个火箭炮营立即向俄军炮台及炮兵阵地开火，一个弹药仓库处滚来三个汽油桶，又落下了两颗燃烧弹，大火把存储此处的弹药全部引爆，又引起了其他军械仓库的爆炸，连环爆炸声震耳欲聋，整个塔夫罗波尔河港火光冲天，大地都在抖颤。飞艇投完弹后迅速飞走，太平军骑兵在骑兵炮掩护下边射击边发起冲锋，快冲到俄军阵地，太平军前边骑兵投出一排手榴弹然后圈马回去，后边又冲到投弹，就这样半日后，俄军守兵伤亡殆尽，整个港口及岸边船只都在大火及爆炸中毁于一旦。黄昏时，在又向港口建筑发射了两轮火箭弹后，古大力带着这些骑兵离开了燃烧着的塔夫罗波尔河港，第二天在到奥伦堡的半途找了个能藏人的地方埋伏起来。尼古拉二世接到位于塔夫罗波尔河港的辎重基地求援电报，就立即派斯马金准将带五万哥萨克骑兵星夜去救。这天到了太平军埋伏处，一阵枪炮声响起，哥萨克人纷纷倒地。斯马金准将亲自带兵发起冲锋，在离太平军三千米处，遭到了密集的火箭弹袭击，所有马匹受惊乱跳，斯马金准将被火箭弹击中阵亡，俄军大乱，太平军乘机发起骑兵冲锋，俄军伤亡四万余人，余者四处逃散，太平军大获全胜。古大力率骑兵返回途中又顺手攻击了几个屯粮屯军火的小镇，把能带走的都带走，不能带走的都烧了。奇袭部队安全返回后，谭嗣同说俄军在前两日一顿猛烈炮击后就很少开炮了，古大力连忙召开有各师长、总教、副师长参加的军事会议，决定由各师警卫部队和侦察部队日夜轮番佯攻，消耗俄军弹药。下午，佯攻就开始了。开始两天俄军枪炮声不断，间或还用骑兵反突击，太平军炮兵由重点打击俄军炮兵改为重点打击俄军骑兵，两天后，俄军以为太平军是引诱俄军骑兵出击予以消灭，也不再派骑兵反突击，只是枪炮阻击，夜间也不怎么放枪放炮了，再往后，白天枪炮声也稀疏了。
这期间，尼古拉二世召开了几次军事会议，就坚守和撤退展开讨论。正当大家一致决定撤退时，拉斯普京来信报告：“斯托雷平说服贵族和大资本家们捐赠的巨额资金已到账，英、法、德、意、奥匈、西班牙、埃及各国半卖半送的大批粮食、枪炮、弹药等军需物资将在半月内通过铁路到达萨马拉，请求沙皇派兵沿途护卫”。尼古拉二世接信为之一振，见太平军每日只是骚扰并无大规模行动，联系前些日间谍人员报来的太平军粮食、弹药也不多了的情报，决定固守等待军需物资到来，还派了一些小股骑兵部队沿铁路线去护卫即将运到的军需物资。
五天后，俄军物资未到，太平军一批军需物资倒是运到了前线。于是，按计划，由黎元洪指挥全军总预备部队第十六陆军师和骑兵部队连夜绕到俄军侧翼和背后设置阻击阵地。1906年11月23日上午10时整，在照常执行一波佯攻任务的侦察兵部队返回后，太平军所有火炮均猛烈开火，俄军阵地上死伤相藉，太平军各师在机枪掩护下发起散兵冲锋，飞艇中队也到俄军头上投掷开花飞弹和燃烧飞弹，火箭炮部队跟随步兵推进专门攻击俄军骑兵。很快，缺少弹药的俄军全线崩溃，伤亡惨重。当俄军骑兵四散奔逃时，冲击了俄军步兵，造成步兵混乱，死伤者颇众。当俄军四处溃逃时，就撞到了黎元洪部队枪口上，在密集的步兵炮打击和轻重机枪扫射下，哥萨克和近卫骑兵连人带马成片倒下。1906年11月23日下午17时，各处阵地枪炮声逐渐停了下来，战场上到处都是人、马尸体和扔掉武器跪地投降的俄军，沙皇与波科季洛准将带着二十万哥萨克骑兵连续不断地冲锋，终于在一处地势较为平坦处突破一道口子，黎元洪忙亲领警卫部队、侦察部队和一个团的预备队在炮兵掩护下堵上了这个口子，但还是有五万哥萨克骑兵从这道口子跟着沙皇及波科季洛准将突了出去。考尔巴斯骑兵少将、萨姆索诺夫骑兵少将战死、萨哈罗夫陆军少将伤重被俘，施密特陆军准将投降。
历时两个多月的奥伦堡决战，俄军骑兵战死二十二万，步、炮兵战死十七万，骑兵伤俘六万余人，步、炮兵伤俘十五万人，骑兵投降五万多人，步、炮兵投降十六万多人，毁损大炮七百多门，二千二百多门大炮、不计其数的枪支及二十多万匹战马被太平军缴获，太平军战死十三万人、伤二十四万人、各种火炮损毁一百多门。两日后，奥伦堡格里布斯总督在弹尽粮绝的情况下向太平军投降。
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