1869年，湘軍將領劉松山任陝西各部清軍總指揮，以一點開花，中心突破的戰法直接突破董福祥的外圍防線，大勝董軍於瓦窯堡。

同年十二月，董福祥全軍投降清軍劉松山部。

董福祥投降清軍後，劉松山賞識其軍事才能，委以前敵總指揮。董福祥所部經過精減，被編為“董字三營”。

董福祥率領“董字三營”，衝鋒陷陣，屢立戰功，很快打消了左宗棠、劉松山等人對其的疑慮。

同治八年（1869年）12月11日，董福祥在攻打吳忠的戰鬥中親身肉搏，雖受傷不下火線，為奪取吳忠立下頭功，左於是同意正式將董字三營編入官軍序列，成為劉松山手下的一支勁旅。

同治九年（1870年）2月，在金積堡戰役中，劉松山不聽董福祥的勸告，親自前往馬化龍營中受降，不料中彈身亡，臨終前他將侄子劉錦棠託付與董福祥，董福祥遂忠心輔佐劉錦棠。

同治十年（1871年）3月2日，馬化龍在被圍將近兩年後投降，被劉、董以藏匿武器的罪名處死。董福祥其後受命鎮守金積堡，將其改建成董部的大本營。

同年，董福祥用開花炮勐轟馬家灘回民軍堡寨，回軍死傷慘重，一日之內回寨盡毀。

同治十一年（1872年），董福祥率部進軍河州，打敗甘肅回軍馬佔鰲部，迫使馬佔鰲投降，被提拔為參將。董福祥在戰鬥中對待敵軍十分兇殘，“以鮮血染紅頂子”這句名言便是出自董福祥之口。

同治十二年（1873年）9月，董福祥進剿西寧回軍，回軍首領白彥虎連吃敗仗，逃入中亞。

光緒元年（1875年），左宗棠率大軍以劉錦堂為先導，“董字三營”為主力，西征新疆，反擊阿古柏侵略勢力。“董字三營”系西北土生土長的部隊，不懼風沙，衝鋒在前，大破天山木裡河、古牧地後，一舉收復烏魯木齊，攻克瑪納斯城，首戰告捷。

光緒三年（1877年）4月：左宗棠令諸軍三路並進，直取南疆，董福祥率甘軍翻越天山，急行軍1200多里，攻克南疆門戶達坂城，殺敵甚眾。接著步馬兼程，收復托克遜城，俘敵2萬餘眾。五月，阿古柏被部下所殺，白彥虎向俄境逃竄。八月，清軍開始追殲南疆殘敵，董軍任先鋒，接連攻克喀喇沙爾、庫車、阿克蘇、烏什等城，接著又馬不停蹄，穿越人跡罕至的塔克拉瑪干沙漠，收復了喀什噶爾、英吉沙爾、葉爾羌以及和闐四城。至此，南北疆全部收復。阿古柏政權滅亡後，英俄對此並不甘心，仍然扶持殘部不斷竄擾中國西部邊境，董福祥率軍駐守喀什噶爾，屢殲入侵之敵。

光緒四年（1878年）1月，新疆除伊犁外，宣告佔領全境。董福祥自此名震新疆，被敘為戰功第一，加封雲騎尉世職，任阿克蘇總兵，賜號阿爾杭阿巴圖魯。

光緒五年（1879年），布魯特酋阿布都勒哈反叛，董福祥在兩日一夜之內，率部急馳300餘里，在木吉擊潰叛軍，殲敵2000餘人。

光緒十六年（1890年），擢為喀什噶爾提督，總統南疆軍事，光緒十七年（1891年）調任烏魯木齊提督。

董福祥在新疆駐守19年，禦敵戍邊，興修水利，開墾屯田，整修道路，政績卓著，贏得朝野讚譽。

光緒二十年（1894年），中日甲午戰爭爆發，董福祥晉尚書銜，奉旨率甘軍入衛京師，屯駐薊州一帶，受到慈禧的接見和賞識。

光緒二十一年（1895年），甘肅河州、湟中等地又爆發回族和撒拉族的農民起義，董福祥被任命為甘肅提督，率部進剿，平定匪亂後加封為太子少保，賞賜騎都尉世職。

光緒二十三年（1897年），董福祥奉命率甘軍進京。戊戌政變後，董軍被編入武衛軍，成為北洋三軍之一。董福祥任武衛軍統領，駐防直隸、山西。

光緒二十五年（1899年），董福祥復任甘肅提督。

當時京津一帶爆發了規模很大的義和團運動，清軍中一些將領和義和團的關係很密切，董福祥就是其中之一。

光緒二十六年（1900年），庚子事變爆發，慈禧太后為加強宮廷保安，召董福祥入京。6月9日董福祥率部進入北京，駐守永安門。6月11日，董部奉命開入永定門，剛好日本使館書記生杉山彬乘車欲出城郊探望經清廷總理衙門批准到使館區保衛日本使館的日本警衛隊24人，董軍營官喝問“何人”，杉山彬據實回答，然未說完已被營官抽刀刺殺，其屍體被甘軍肢解，並剖腹取出腑臟，塞入馬糞，再棄於路