冬季鏖战
眼看局势失控，明廷派出御史项忠出马，带着万名京营士兵前往继续镇压。同时还调集了陕西边境上的50000边军一同出阵。以上各路平叛军中，不仅有装备大量火器的部队，也包括了明军每战必出动的蒙古骑兵。1468年10月，各路明军分几路前进，避免因过于集中而被满四的蒙古骑兵偷袭。通过这种分散部署的方式，顺利开进石城附近。但各路部队在具体时间上仍无法做到同步，这就又给了叛军以机会。首先抵达的延绥镇边军，发现满四已率领精锐出城迎击。他们在不计后果的情况下发起进攻，被武装升级的叛军给迅速击溃。
这时的明军也发现，由于数目扩增过大，叛军已经无法全部躲入山上的主城。大量的流民因野战能力较弱，被安排部署在附近山头和栈道上。他们为了抵御进攻，也挖掘了壕沟形成新的阵地。满四的骑兵则经常出城诱敌，再佯装战败后撤。企图将官军引入这些壕沟密布的陷阱当中。已经屡次因情敌冒进而被挫败的明军，则改变思路。利用兵力优势发起分头进攻，准备拿下石城附近的各山头，形成彻底围困局面。大将毛忠带着4000精锐边军从侧后登山，而另一位大将刘玉则从正面的山路发起佯攻。
但石城叛军的坚韧程度，还是超出了明军意料。虽然在外围战斗中，大量流民据守的山头被明军突袭拿下，但精锐守卫的主城却始终抵抗激烈。当毛忠率军翻过山丘，便遭到了城下壕沟的阻拦。蒙古人从城里射箭并投下石块，打的明军抬不起头。
15世纪中期的明军，已经从一支重步兵为主的军队，蜕变为大量使用远射武器的轻步兵。除了少许将领卫队与前排精锐还具有重装攻坚能力，其余人在强攻作战中很那发挥决定性效果。冲锋之前的毛忠就在关键时刻中箭而死，麾下部众只能撤回山头重组。负责正面牵制的刘玉同样中箭受伤，底下士兵险些一哄而散。多亏带着京营督战队的项忠感到，临阵处决了一名撤退的千户，才逼着士兵返回救下了奄奄一息的刘玉。
此后，明军意识到强攻石城是没有效果的事情，便转而采取了围困手法。先是让人捣毁了城市的引水渠，接着在周围的山头建立阵地，用各种火器进行轰击。但根本没有攻城炮的明军，只能杀伤城头守军而无法对城墙本身造成任何损害。期间，明军还派士兵用泥土去尝试填平护城河与壕沟，也都因为守军的反击火力而作罢。有人建议打造攻城车，作为进攻时的移动工事。但军中的大部分将领觉得强攻损失太大，以至于否决了这个建议。
进入11月后，转冷的天气开始让明军出现动摇。但困守石城的叛军也因为水源被断绝而出现了后勤问题。加之原本只能容纳几千人的主城，现在涌入了近万人规模的队伍，进一步加剧了自己的后勤压力。一些叛军甚至要在晚上，偷偷溜出城取水。明军就这样抓获了满四的心腹杨虎狸。通过威逼利诱，官军得知叛军也急于结束战斗，甚至有向北逃入蒙古地区的愿望。于是将计就计，准备了好了伏击作战。
果然，杨虎狸在被放回石城后，怂恿满四率军出来决战。后者在看到明军佯装下山的举动后，迅速带精锐骑兵突围。结果在山间小道遭遇伏兵围困，成为了项忠的阶下囚。但城里的残余叛军，又迅速让担任过军官的蒙古人火敬成为新的首领。在他的率领下，石城内的全部叛军在某天晚上进行了全体突围。
由于明军封锁了大部分出口，仅仅留下通往南方的道路，叛军主力便在这个方向上钻入了陷阱。包括火敬在内的大部分人被杀或被俘。分散突围的其他小股人马，则还有人在围追堵截之下暂时逃离山谷。最后一小队人马，到1469年1月才被消灭。
至此，持续达半年之久的固原之乱才被彻底平息。明军前后伤亡多达万人，战死数位中高级军官，前后动用近10万人马，才将4000蒙古牧民与1万多流民消灭。
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