霍集占匆忙集中人马出城反击，结果三战三败，士气大挫。但是兆惠所率的清军前锋由于进军速度太快，和后方的辎重部队脱离了联系，很快陷入了粮饷不继的困境。霍集占侦知这一情况，于是设下圈套，让人放出风声，说叶尔羌城南山下有人放牧，兆惠听说之后立刻决定渡过叶尔羌河去劫夺羊群以补充给养。结果清军先头部队从叶尔羌河桥上过去四百多人，桥突然就塌了。霍集占的伏兵四出，将清军重重包围。兆惠在负伤的情况下临危不乱，指挥清军边打边撤，在付出伤亡数百人的代价之后，终于撤回了黑水营，坚守待援。霍集占见清军已经击败，于是指挥一万五千人马，将黑水营团团围住，日夜攻打，企图一举将清军歼灭之。
（乾隆下令绘制的《平定准部回部得胜图》中的《黑水解围》卷，图左侧的营盘即为兆惠坚守的黑水营）
兆惠坚守黑水营的战斗上是极其艰苦的。回部叛军数量是清军的五倍，而且黑水营内粮草给养十分匮乏，但是在兆惠的指挥之下，清军顶住了叛军长达五天的猛攻。霍集占见强攻不能奏效，遂改为长期围困。此时，南疆地区早已是天寒地冻，黑水营内的清军粮草不继，处境十分困难。有限的粮食吃完之后，他们就杀战马裹腹，战马吃完之后，就煮皮革、马鞍为食，最后连皮革、马鞍都吃光，清军无奈之下，开始用被击毙的叛军尸体充饥。尽管如此，在兆惠的统率下，清军士气始终没有崩溃，一直顽强地和叛军对峙。霍集占见吃不掉清军，又下令从上游掘开河堤，企图用洪水淹没清军。兆惠见招拆招，下令在营中挖掘排水渠，将洪水泄走。为了解决子弹不足的问题，清军利用大树作为掩体工事，抵挡叛军的子弹。然后再挖开大树，把里面的弹丸找出来，再用来回射叛军。结果清军军心未乱，叛军却已心慌，他们认为清军有天神相助，有打不完的弹药。霍集占也越发焦躁不安，小小的黑水营成了插进叛军腹地的一颗拔不掉的钉子！
（乾隆下令绘制的《平定准部回部得胜图》中的《凯宴成功诸将士》卷，兆惠成为平定准部回部的第二大功臣。）
在艰苦地和叛军对峙了近三个月之后，乾隆二十四年（1759年）初，兆惠盼望了很久的援军终于到来了。正月初九日，兆惠的副手——定边右副将军富德率领三千多援军，从阿克苏一路赶来，一路上击溃了叛军的阻击，接近了黑水营。此时叛军因长期围困对峙，早已士气消沉，听闻清军援军已到，更是人心惶惶。兆惠抓住机会主动出击，一举将围困的叛军全部击溃，正月十四日，兆惠和富德两军会师，终于取得了黑水营之战的最后胜利！
