1880年8月，朝廷的诏书送到了左宗棠手中，调他赴京任职。而当时，左宗棠掌握的情报显示，俄国前一年遇到灾荒，又刚刚结束与奥斯曼土耳其帝国的战争，国内很困难，不可能全力对付中国，增兵只是虚张声势。左宗棠气愤至极，因为收复伊犁的理想可谓功亏一篑！但他又无可奈何，在给儿子的信里，他感叹说，朝廷里的人不了解情况，却混淆国事，"为之奈何"。
虽然不能不走，但左宗棠推荐刘锦棠督办新疆军务，坚持以武力作为谈判的后盾，"先之以议论，决之以战阵"。左宗棠即使回京，也把不明就里的俄国人吓出了一身冷汗。在得知清政府召左宗棠回京后，俄国代理外交大臣格尔斯急忙找到曾纪泽，问道："听说左宗棠现已进京，可能会挑起全面战争，是不是这样？"曾纪泽模棱两可地表示，自己还不知道这个消息。格尔斯赶紧说："中俄两国要是为小事打起来，实在不合情理。"
1881年2月24日，以左宗棠在新疆的布防为后盾，经过曾纪泽据理力争，清政府与俄国签订《中俄伊犁条约》。这一条约虽然依旧是不平等条约，但相比崇厚所签的条约，中国争取回部分主权和领土。曾纪泽与俄国签约的当天，左宗棠正好抵达北京。虽然左宗棠全复疆土的愿望没有实现，但他确实为收回伊犁起到了至关重要的作用。
治理新疆，"为政先求利民"
左宗棠能够迅速收复新疆，得益于新疆各族人民的支持。他们传递情报、捐送粮食，给西征军的行动提供了极大的便利。新疆人民支持西征军，一个重要原因是阿古柏政权横征暴敛，致使民不聊生。
在南疆，阿古柏采取极端野蛮和残酷的手段，实施民族压迫、经济剥削。所有地方和军队的官员都由自己部族的人担任，他们可以随意抢夺居民的财物，甚至抢夺他们的妻女。据《新疆图志》记载，维吾尔幼女自8岁以上都被奸淫，维吾尔家长死后，家产都被夺走。阿古柏也在北疆"大杀回汉居民"，各族同胞无不痛恨万分。
左宗棠治理新疆，第一条就是强调汉族和少数民族要平等对待。他在率部进驻陕甘期间，曾上奏朝廷，特别声明"只分良匪，不分汉回，为久远之规、制贼之本"。对于少数民族的利益，左宗棠十分照顾。1874年，正是在他的大力斡旋下，清政府才同意甘肃单独设立科举乡试考场，而且允许甘肃乡试的一科是汉回合试，另设一科用"良"字编号，专取回族士子。
为了恢复被阿古柏破坏的百姓生计，左宗棠主张"为政先求利民"，在惠及百姓方面，做了很多有益的探索。首先是推出屯田政策。由于英国、俄国的虎视，新疆必须维持足够的军队，但军队的供养不能转嫁给当地百姓。因此，左宗棠实行屯田，让军队自己生产，养活自己。对屯田所种的粮食，左宗棠采取照价收购的办法，调动了士兵屯田的积极性。收购所剩下的粮食，官兵可以自由与民众买卖。新疆广阔的天地和士兵充足的人力资本，使得军队生产有着极大的优势，军队不用靠吃皇粮过日子，也减轻了新疆民众的负担。
要想百姓吃饱喝足，最关键的是让百姓地里的粮食不被地主和官吏夺走。新疆原来的农业赋税管理，用的是徭役制，如同农奴制一样，农民无偿耕种土地，还要服各种劳役。左宗棠参照内地的做法，实行按亩征赋。他规定每亩地收粮1石以上，则交税1斗(1石为10斗，1斗为10升)。后来，他又将不同的地亩进行分别对待，再次减少税赋。比如，新疆土地宽广，2亩可算作1亩，上等地征收8升，中等地征收5.5升，下等地征收3升。
新疆多年战乱，民众流失较多，为鼓励移民兴疆，左宗棠又制定特别的激励制度，新来的移民可以缓交粮税，先交六成，以后再续交。考虑维吾尔族百姓不识汉字，左宗棠又颁布律条，要求所有粮税清单，都同时使用汉维两种文体，让维吾尔族百姓一目了然。这一改革，极大激发了维吾尔族民众的生产热情。1879年，新疆共征粮税26万余石，较之原来增长了10万余石。
农业生产的发展需要兴建水利设施，在新疆尤为如此。左宗棠将修浚河渠作为建设新疆的头等大事。根据当地实情，渠道修建时，"先干渠，后支渠"；官府负责干渠，各地民众负责支渠。考虑当地民穷地薄，左宗棠让军队支援农业。哈密地区的石城子渠、镇西厅的大泉东渠……这些大型干渠都是当地驻军修建的。
为了发动各族群众参与水利建设，左宗棠还引进了内地"以工代赈"的办法，由地方官招募民众，修筑渠道，秋收后向民众发放粮食作为补偿。到清朝末年，新疆共修建或疏浚干渠944条，支渠2330条。水利建设的开展，为保障农民收入和农业发展，特别是抵御自然灾害提供了有力的保障。
教育是促进民族发展的重要事业。左宗棠对新疆的教育投入了前所未有的精力，尤其是回民教育。收复前的新疆，旧有的回官往往欺负普通回民不识汉字，任意勒索。少数民族的民众每年都交很重的粮税，其中大部分都塞到回官的口袋里。由于语言不通，民族交流困难，很多百姓都认为是国家剥削他们，而不知是回官作怪。在少数民族聚居的地方，左宗棠下令兴建义学，让各族百姓读书识字。他还下令刊刻《千字文》《百家姓》《三字经》等启蒙书籍，传播中原儒家文化。
建立新疆省，把商业带进边陲
推动建省设县，让新疆地区的行政管理第一次真正接近内地的模式，是左宗棠治理新疆的一大功勋。早在收复南疆之前，左宗棠就上奏朝廷，"为新疆划久安长治之策"，必须"设行省，改郡县"。朝廷同意这个建议，但当时南疆和伊犁还没有收复，建省的事就搁置了下来。
自从乾隆平定准噶尔叛乱后，新疆一直由甘肃省统辖。清政府在新疆所设的官职，无论是伊犁将军，还是乌鲁木齐都统，都是军职，而不是民职。乾隆设立的这种体制，有点类似军事基地的性质，军事战略意义第一，民生和社会发展并不是重点。随着时间的推移，这套办法越来越不适合新疆的情况。用左宗棠的话说，就是"治兵之官多，而治民之官少"，政令和军令不能协调。
