乾隆二十二年（1757年），兆惠率军到达乌鲁木齐，噶勒藏多尔济、扎那噶尔布等诸位叛军首领都在这集合，一日就作战十余次，战马都几乎用尽。大军在冰雪中行进，到达特讷格尔，被叛军所围。巴里坤办事大臣雅尔哈善先派遣侍卫图伦楚率领八百人去援助兆惠军。当时适逢兆惠派遣军校云多克德楞彻自围中杀出，到雅尔哈善的军营请求援助。这件事上报朝廷之后，乾隆帝嘉奖兆惠作战奋勇，以功被封为一等武毅谋勇公，授户部尚书、镶白旗汉军都统、领侍卫内大臣。图伦楚兵到了后，兆惠包围被解。兆惠得到新兵之后，又追击巴雅尔的叛军至穆垒河源。巴雅尔迁移到别处放牧之后，兆惠还师巴里坤。乾隆帝因为兆惠奋力追击，追杀叛军不懈怠，赏赐兆惠御用玉韘、荷包、鼻烟壶，命定边将军成衮紥布分路进击厄鲁特。不久，兆惠与参赞大臣鄂实等一起自额林哈毕尔噶出发进剿厄鲁特。

主词条：大小和卓叛乱

乾隆二十二年（1757年），兆惠发现回部头人波罗尼都、霍集占（大小和卓）有叛乱的迹象，令参赞大臣富德去追捕阿睦尔撒纳，自己的军队停驻在济尔哈朗等待富德。乾隆帝责备兆惠与成衮扎布以回部事务为重、而轻视了阿睦尔撒纳，处事有失轻重。于是兆惠率领军队在富德后继续北进，派遣使臣前往左右哈萨克宣谕，要求归还潜逃的阿睦尔撒纳。大军再进到额密勒河西岸附近，富德大军到达塔尔巴哈台，俘获潜逃的叛军首领巴雅尔以及随从数人，移送到北京。哈萨克汗阿布赉遣使来朝献马，并上表请求入觐，乾隆帝下诏宣谕。阿布赉的使臣说阿睦尔撒纳率领二十骑前去哈萨克投奔，相约第二天清晨见面，阿布赉下令先没收阿睦尔撒纳的战马和牛羊。阿睦尔撒纳发现之后惊忙逃走，哈萨克汗俘获他的侄子达什车凌、宰桑齐巴罕，捆绑之后送到兆惠大营，兆惠以闻，命槛车致京师。兆惠分遣他的将领图伦楚、三达保、爱隆阿等人击败阿睦尔撒纳的属众，并招降阿睦尔撒纳的部下纳木奇父子，送到北京。兆惠再次进击，与富德的大军会合。秘密探查到阿睦尔撒纳已经逃入了俄罗斯，乾隆帝命他还师。

乾隆二十二年（1757年）十二月，回部大小和卓叛乱。乾隆帝授兆惠为定边将军，前往南疆讨伐回部大小和卓波罗尼都、霍集占。兆惠上奏乾隆帝，请求先屯田于乌鲁木齐，待来年春天再率军进讨大小和卓。并进言说，如果不能立即率领大军进入回部，那么应该集聚很多粮食，购置很多战马，才能是稳重的策略。乾隆帝不以为然，下诏责备兆惠怯懦不战。

乾隆二十三年（1758年）正月，兆惠因为厄鲁特人在沙喇伯勒还有一万户，决定先剿除他们，于是专心于回部的事务。乾隆帝授雅尔哈善为靖逆将军，命他进击南疆；命兆惠进剿厄鲁特的事情完成之后，在别道与雅尔哈善合兵进击。兆惠与副将军车布登紥布、副都统瑚尔起、侍卫达礼善等分四路进剿厄鲁特蒙古余部。乾隆帝因为哈萨克锡喇、鄂哲特等十多人都没有被兆惠抓获，命兆惠等更加谨慎。四月，兆惠抓获鄂哲特等人，并送往北京。乾隆帝仍责成兆惠尽快抓俘哈萨克锡喇等。不久又令兆惠赴库车视察军务，回到北京之后，乾隆帝的诏令未至兆惠的军队就已经出发。正赶上雅尔哈善的军队围困库车，霍集占突围逃走。乾隆帝逮捕雅尔哈善，以兆惠代替雅尔哈善。兆惠在中途上疏乾隆帝说：“我当亲率八百人赴库车，与雅尔哈善协力剿灭叛军，不破敌军势不还朝。”乾隆帝嘉奖他奋勇，赐给他双眼孔雀翎。

主词条：黑水营之战

乾隆二十三年（1758年）八月，定边将军兆惠奉命由伊犁率部南下，指挥清军平定回部大、小和卓叛乱。兆惠遣副将富德驻阿克苏，为第二梯队，自率马步兵4000余往攻小和卓霍集占所在的叶尔羌城（今新疆莎车）。叶尔羌城周十余里，城门12座。回兵在清军必经的城东5里处，挖沟筑台，以为屏障；并实行坚壁清野。

十月初三日，兆惠所部抵辉齐阿里克，距叶尔羌城40里，隔河扎营，并派出左、右两翼兵，抢占了城东土台，控制进出要道。初六日，东、西、北三座城门中冲出数百名骑兵，两军厮杀，回兵三战皆败，遂退回城中固守。兆惠大营安扎于黑水河畔，故名“黑水营”。兆惠见叶尔羌城防守严密，便拨出800人清军交副都统爱隆阿，命其前往东南方向，防御盘踞在喀什噶尔（今新疆喀什）的大和卓叛军，其余兵力密切监视叶尔羌城，待机再战。时获情报，言城南山下有回人牧群。兆惠决定往劫羊群，以补充给养，并诱敌出城作战。十三日，兆惠率干余骑兵南进。前面有河，清军夺占桥头，登桥而驰。岂料刚过桥400余人，桥骤断，叶尔羌城中随即冲出叛军5000骑兵、1万步兵，张开两翼攻围清军。清军人自为战，浮水还营，兆惠两易战马，面胫俱伤。直至夜晚，回兵方退回城中。清军亡100余人，伤数百人，总兵高天喜战死。十四日，霍集占组织回兵向黑水营发动猛攻。兆惠指挥士卒边战边筑起临时工事。战斗持续了整整5天。兆惠派出5名士兵，分别往阿克苏告急，驻阿克苏头等侍卫舒赫德飞章奏报朝廷。乾隆帝命靖逆将军纳木札尔往援。防御喀什噶尔的副都统爱隆阿奉兆惠之命，返阿克苏催促援军，途遇纳木札尔所率200名骑兵，爱隆阿劝其待大兵到后再进，纳木札尔未从，后于途中全军覆没。霍集占见强攻不下，便改为长期围困。

黑水营自十月至次年正月，进行了艰苦的防御战。时天寒地冻，弹尽粮绝，援兵不至，无险可依。回兵于上游决河灌营，清军在下游挖沟泄水。回兵枪弹如雨，清军砍掉林木，由树干中挖出数万颗弹丸。后清军挖水井，掘窖粮，补充了给养。十一月间，回疆以西的布鲁特人抢掠了喀什噶尔所属英吉沙尔城（今新疆英吉沙），恰好黑水营清军纵火焚烧两座回营。霍集占以为清军与布鲁特人有约，惧被夹击，故攻黑水营稍懈。黑水营艰难持守之时，清廷急调援兵增援。驻阿克苏的定边右副将军富德与侍卫舒赫德于巴尔楚克（今新疆巴楚）合军，共率3000余兵，冒雪赴援。巴里坤办事大臣阿里衮领兵六百，解马两千匹、骆驼一千头，兼程来援，与爱隆阿所部会合。

乾隆二十四年（1759年）正月，富德率领大军到达呼尔璊，以富德为定边右副将军，径赴叶尔羌解兆惠之围；与回兵遭遇，富德转战五昼夜。阿里衮将战马送至，两军合军后与回兵再战。布拉尼敦出战，中弹受伤，不得已回军喀什噶尔。清军至叶尔羌河岸，阿里衮与爱隆阿合军为右翼，富德及舒赫德为左翼，两军追击回兵。正月初八，兆惠听到北方有枪炮声，又见围营的和卓兵渐少，料想援军已至，遂分兵两路出击，攻取营垒，并派人联络富德。十三日夜，富德进兵至叶尔羌河岸，距兆惠兵营尚有二十里。十四日黎明，富德领兵斩杀和卓兵二三百人。和卓军队渡河而去。富德与兆惠会合，按照谕旨于当晚启程返回阿克苏。至此黑水之围解。

呼尔璊之战后，霍集占兄弟由于清军的进攻和维吾尔人的背离，整个陷入了困境。二、三月间，霍集占派人联络葱岭以西的巴达克山、浩罕等国。因浩罕未有回信，且惧布鲁特沿途骚扰，和卓兄弟决定逃往巴达克山，或再由巴达克山前往痕都斯坦（今克什米尔地区南部及巴基斯坦北部）。四月，清兵占领和阗的消息传来，叶尔羌人心惊动，霍集占将家眷、财物移往叶尔羌以西的赫色勒塔克。波罗尼都也向喀什噶尔居民索取军粮、马匹，在六月十日之前陆续运到塔勒巴楚克河，自己仅与亲信留在喀什噶尔居住。

在大小和卓准备出逃的同时，兆惠、富德正筹集粮饷，计划乘麦熟之前进攻叶尔羌。五月，避难于布鲁特的原喀什噶尔伯克和什克随清军侍卫布占泰来到阿克苏，向兆惠建议先攻取喀什噶尔，以免霍集占投奔浩罕的额尔德尼伯克。于是兆惠等人议定先攻喀什噶尔，再取叶尔羌。此时，流亡于境外的和卓后裔陆续向清军投诚。六月十一日，兆惠领兵九千由乌什南下，进兵喀什噶尔。阿里衮、巴禄领兵三千出巴尔楚克，在喀什噶尔、叶尔羌之间地方等待与富德会合，并把守各处关隘。六月十八日，额色尹、玛木特与波罗尼都交战，剿杀多人，随后来到兆惠军营投诚。

六月二十七日，波罗尼都将喀什噶尔居民掳至城南的提斯衮，由玉鲁克岭（在今疏附县西南）西逃，带走居民一百五十户，及其亲信之家眷、奴仆千余人。霍集占抢掠叶尔羌居民的马匹、牲畜后，又向当地毛拉勒索白银四千两，于闰六月二日启程，经伯克和罗木渡口逃往羌呼勒。大小和卓在色勒库尔（今塔什库尔干县）会合后向西出逃。留在喀什噶尔、叶尔羌二城的伯克随即派人迎清兵入城。闰六月十四日，兆惠进驻喀什噶尔城，富德所部先锋鄂博什进驻叶尔羌城。十八日，富德进入叶尔羌。乾隆皇帝令兆惠留驻喀什噶尔，办理喀、叶二城事务；富德、明瑞等速领兵追击。

乾隆二十五年（1760年），兆惠大军返京，位列乾隆帝平定回疆之乱功臣图，悬挂于紫光阁。乾隆二十六年（1761年），兆惠被授御前大臣，协办大学士兼署刑部尚书，与大学士刘统勋查办杨桥河的案子。乾隆二十七年（1762年），兆惠又与刘统勋勘察江南运河。乾隆二十八年（1763年），直隶发生水灾，乾隆帝命他前去观看海口的情况。兆惠根据当时的地理条件，疏通天津、静海诸县的水道。然后乾隆帝又命他与两江总督尹继善筹划疏浚荆山桥的河道。

乾隆二十九年（1764年）十一月，兆惠病逝，享年五十六岁。乾隆帝亲自驾临他的丧礼，赠太保，谥文襄。嘉庆元年（1796年）十一月，命配享太庙。

自乾隆十二年（1747年）开始，清朝对四川大、小金川地区的征伐，使兆惠转向军事方面，有机会大展雄才。乾隆十三年（1748年）六月，兆惠兼管户部侍郎事不久，即奉命奔赴四川前线，为清军督运粮饷。他抵川后，就显示出办事干练的才能。他看到卡撒（今四川省小金县西）周围山梁、色尔力等路贮藏的军粮仅够两月之用，就将附近的崇德、牛厂和美诺等地的存粮调运过来，以备军需。同时，他还认真地观察了清军的情状，上疏朝廷披露其弊端：“臣观军营诸将惟护军统领乌尔登、总兵哈攀龙勇往，副将下颇多庸员。

乾隆二十年（1755年）乾隆帝决定用兵伊犁，派兆惠协理军务并负责粮饷后勤。当年八月，阿睦尔撒纳反叛，将军班第、参赞鄂容安陷围殉国。形势急剧恶化。伊犁留守官兵被围，驻扎乌鲁木齐的定西将军永常闻知变讯，不仅不去救援反而将驻军后撤至巴里坤，致使被围官兵孤立无援全部牺牲。兆惠临危受命，移驻巴里坤军营兼理台站。次年初，伊犁降敌的副将军萨拉尔复归至吐鲁番，兆惠虽未受命进军，但他抓住时机立即进剿，显示了很强的主观能动性和能力。

乾隆二十一年（1756年），伊犁再次平定，兆惠被任为定边左副将军筹划善后事宜。这年冬天，准噶尔大小头目再次发动大规模叛乱，兆惠率孤军2000人驻扎伊犁。在危急之际，兆惠显出超常的胆略，他率领孤军突出重围，最终回到巴里坤大营。兆惠率孤军返回大营鼓舞了清朝官兵的士气，也使乾隆帝对兆惠有了进一步的认识，乾隆帝谕予以嘉奖，“著封一等伯，世袭罔替”。此时，兆惠侦知准噶尔头目巴雅尔等进至木垒，立即指挥官兵前往捕捉。乾隆二十二年（1757年）春天，在清军第三次进剿时，兆惠任西路清军主帅，率军转战天山北麓，追捕逃窜各处的反叛头目，天山北麓全部平定。

乾隆二十三年（1757年），大小和卓叛乱。靖逆将军雅尔哈善率军进剿，但因指挥不利致使小和卓脱逃。乾隆皇帝令兆惠驰往代替靖逆将军平叛小和卓。兆惠奉命，轻骑赶赴阿克苏，招降阿克苏、乌什等城后留军据守，自己带兵3000余名在沙漠戈壁中长途跋涉1500余里，于乾隆二十七年（1761年）十月，进抵小和卓据守的叶尔羌城下。

叶尔羌城下的黑水营围战是清朝统一新疆过程中最为艰巨的一战。兆惠为切断大小和卓兄弟互援之势，准备渡河袭取其牧群。兆惠中了叛军之计。致使未过河的清军无法前去援救。河岸沮淤，难于驰骋，兆惠左冲右突，马中枪毙命，换马作战，马再中枪。兆惠抱着誓死决心，清军受其激励勇猛作战，经过一场浴血奋战，清军终于在天黑时回到黑水营掘壕固守。叛军连续五昼夜冲击清营，清军士兵因身处危地，所以无不拼死一战，使叛军伤亡惨重，而不能得手。于是小和卓也派兵筑长围，想要困死清军。在极度困难的条件下，兆惠率部与叛军僵持了整整3个月的时间，终于在乾隆二十四年（1758年），增援的清军陆续到达，包围黑水营的小和卓叛军在清军内外夹攻下土崩瓦解，狼狈逃窜，兆惠取得了黑水营之围的胜利。

兆惠府位于北京市西城区前井胡同3号。兆惠府坐北朝南，分为南、北两个院，中间由东西向且西口封闭的小胡同分隔，北院大门设在东墙南侧，为坐西朝东的三开门。中院垂花门内是正房五间，东西厢房各三间，正房以北是正房五间带耳房，后楼七间。东院有两进院落。南部的西院是马圈，东院是佣人住房。兆惠府仅存北院内的一组三合院。残存面积285平米。

兆惠墓，位于北京市朝阳区奥林匹克森林公园曲棍球场。兆惠墓的墓丘早已经被平毁，存墓碑1通、墓表2座，立于清朝乾隆二十九年（1764年）。1986年，朝阳区人民政府将“兆惠墓石刻”公布为“北京市朝阳区登记文物保护单位”。2013年1月，朝阳区文化委员会为“兆惠墓”立有“北京市朝阳区普查登记文物”牌。