（一）到达迪化
5月7日下午，西路军左支队进驻迪化西大桥附近的阜民纱厂。
1937年七七事变后，左支队迁驻迪化东门外的一个兵营里。陈云请示中共中央同意，取消左支队，成立总支队，对外称"新兵营"。总支队的直属机构有政治处、医务所、总务科、青年科、警卫排、救亡室。总支队下设干部大队和一、二、三、四大队。总支队队长杨秀坤，政委刘庆南，参谋长饶子健，政治处主任姚运良，总支书记喻同金；干部大队队长潘同，政委刘鹤孔；一大队队长蹇作国，政委周纯麟；二大队队长赵正洪，政委陈德仁；三大队队长郑治章，政委王世仁；四大队队长曾玉良，政委胡鉴。西路军的军级干部李卓然、李特、黄超、李先念、曾传六、宋侃夫、郭天民、李天焕、黄火青等，没有在总支队安排职务，暂留在总支队学习。
1938年春，根据盛世才的请求，从总支队中调派一些干部到盛世才的政府和军队中工作。1938年1月，黄火青调任新疆反帝总会秘书长；2月，周纯麟、曾玉良调到盛世才的部队喀什四十八团，赵海丰调到叶城四十一团，谭庆荣调到和田骑兵团工作，黄学谦（黄义明）调到新疆督办公署任经理处处长；3月，潘同被委任为和田警备司令。1938年春，胡鉴被调到蒲犁（今塔什库尔干）任边卡大队大队长兼边界委员会委员。

由于干部调动，总支队的领导成员和建制作了相应的调整，总支队队长为饶子健，政委为姚运良，参谋长为苏进，政治处副主任为曾三（1939年7月到职），总支书记为喻同金；撤销了干部大队，一、二大队合并为一大队，队长王世仁，政委卢富贵；三大队改为二大队，队长郑治章，政委王挺；四大队改称特科大队，队长宋承志，政委邹开盛。
总支队在新疆期间，由中国共产党驻新疆的代表陈云（1937年5月至11月）、邓发（化名方林，1938年1月至1939年9月）、陈潭秋（化名作杰、蔡直，1939年5月至1942年9月）先后领导和管理。从总支队抽调参加航空队的学员及延安派来学习的同志，也由中国共产党驻新疆代表直接领导。

（二）开展文化和政治学习
抗日战争爆发后，党中央根据国内外形势的变化，决定撤销原定去苏联学习的决定，指示总支队指战员就地学习。陈云同志宣读了党中央关于"严守纪律，安心学习"的电报。总支队在中共驻新疆党代表的领导下，组织指战员开始了文化和政治学习。
陈云同志在学习动员会上指出：文化知识是学习其他知识的基础，没有文化就像盲人。我们在战场上冲锋陷阵，是为了革命事业的胜利，现在学习文化知识，是为了更好地学习军事技术，也是为了革命事业，内容不同，目标一致，希望大家要像在战场上冲锋陷阵那样向文化进军。经过动员，指战员增强了学好文化知识的信心。
当时，各大队针对每个人识字多少的情况，编成甲、乙、丙三个班级，甲班学习中学课程，乙班学习小学课程，丙班以识字和扫盲为主。为了解决教材，陈云同志设法筹措部分经费，从迪化购买了中小学课本。陈云同志还亲自选编了一些中国共产党公开发表的声明、决定等文件，油印给大家，既学习文化，又学习政治，一举两得。

在学习文化知识的同时，根据抗日战争的需要，大家学会了简单的日语，如"优待俘虏"、"缴枪不杀"、"不要替法西斯卖命"、"打倒法西斯"、"中日两国人民应该团结起来"等战场上的用语。

（三）组织军事技术学习
根据党中央把总支队办成多兵种的军事技术学校，利用盛世才的军官学校教员、设备和苏联教官为我军培养现代化军事技术骨干的指示，陈云同志作了学前动员报告。他说，日本侵略者仗着飞机、大炮、汽车、装甲车横行霸道，使我们吃了不少亏，流了很多血。我们要战胜日本侵略者，不能光靠步枪、刺刀，也需要有飞机、大炮、汽车、装甲车来对付侵略者，这就要着手培养会驾驶飞机、汽车、装甲车的人才。如果我们这400多号人每人学会摆弄一两件机械化武器，将来回延安一个再带会十个、八个，这对建设我军的技术兵种，对夺取革命战争的胜利，将是多大的贡献呀！
根据当时的实际情况，决定学习汽车67人，学习装甲车的50人，学习炮兵的87人，学习无线电的34人，学习空军的42人，共计280人。另外还有学军医和兽医的11人，去苏联学习情报的20余人。

(1）学习汽车驾驶和修理。总支队一、二大队合并为一大队后，主要学习驾驶、修理技术，学习地点在新疆汽车局。参加学习的有苟在尚、吴兴、石子平、刘武彩、徐世美、赵天培、阎德昌、陈道良、张如海、徐明乐、宁春元，孙安贵、王元喜、张连义、张官朝、赵洪振、李子平等67人。学习分三个阶段，第一个阶段学习汽车原理，第二阶段学习汽车驾驶，第三阶段学习汽车修理（在汽车修配厂）。
在理论学习告一段落后，转入实际驾驶操作。实习汽车借用新疆汽车局的苏式羊毛车（吉斯五）。教员耐心教，大家虚心学，很快就学会了驾驶技术，并取得较好成绩。1938年春考试一次，大家成绩都在60分以上。为掌握汽车的全面技术，邓发同志又抽调苟在尚、石子平、吴兴、刘武彩、徐世美、赵天培、阎德昌、张如海、徐明乐、王元喜、王再德、赵洪振、李子平、张官朝等20多名指战员，到盛世才的汽车修配厂学习汽车修理技术。

(2）学习装甲车驾驶与战术。在学习汽车的基础上，总支队抽出李志明、王崇国、杜发树等50人学习装甲车技术。学习地点在盛世才的装甲车队。教官是装甲车队的军官，如李国卿等。学习内容除了机械学，还有战术学和枪炮的射击技术等。当时的装甲车有两种，一种是小型的，叫苏式布瓦26，乘员有驾驶员、机枪手、观察员3人；一种是大型的，叫苏式布瓦27，乘员6~8人，车上的武器除了机枪，还配一门炮。盛世才的装甲车队共有16辆装甲车，在学习期间，就利用这些装甲车进行教和学。还进行了两三次实弹射击。
(3）学习炮兵技术。1937年秋至1938秋，四大队的全体指战员转为学习炮兵技术，四大队下设两个排，每排两个班。学员有朱光、曹克林等60余人，苏联顾问如列可夫教射击和战术，盛世才军官学校的教官教操作。1938年秋，从苏联回国的原东北抗日联军王松、岳山、林富、刘忠、鲁义、胡兼杨、刘大祥、周才等20余人编入四大队，成立第三排，辖五、六两个班。至此，学炮的有87人。

(4）学习无线电通讯技术。1937年秋，陈云同志将总支队中无线电员集中起来，开办了第一期无线电通讯训练班，学员有何仁忠、杨大奎、杨家德、高家传、聂鑫、陈大孝、王道义、宋有望、阙子山等20余人。训练班有王子纲、刘寅负责，荆振昌、徐明德任教员，教收发报技术。1938年初结业。
1938年4月，邓发组织了第二期无线电训练班，由荆振昌负责。教员除了荆振昌，还有徐明德。学员有贾善、翁石仁、郑如宽、朱家林、张达明、李培基、李映光、任道先、曾庆发、金克、徐国安、王富学、何世昌、张正邦、边河先、刘训发、陈庭顺、刘兴跺、罗兴达、罗泽润、罗乃营、邓树康、李先觉、杜天义、褚正录、刘发树、杜发树、胡有贵等。1939年结业。

(5）学军医和兽医。1938年1月，邓发从总支队卫生所抽调谢华、洪耀、周云超、朱日辉、肖邦林五人到盛世才军医学校学习，谢华任学习组长。同时抽调陈银山、易良荣到兽医院去学习。1938年12月结业。
1939年10月，党代表陈潭秋从总支队抽调谢良洪、肖永汉、胡孝炳、王明超四人进兽医学校深造。学习内容有病理、解剖、内科、外科等课目。苏联教官包约申列翁捷夫和石洛夫授课。1941年结业。王明超、谢良洪、胡孝炳取得了前三名的好成绩，并得了奖。这四人均被授予中尉军衔，后被分配到盛世才的兽医所、兽医学校、兽医处工作和学习。

(7）野营拉练和军事演习。为适应抗日战争的需要，考核指战员的学习成绩，在陈潭秋的直接领导下，开始了野营拉练和演习。拉练经过一炮成功、水磨沟、七道湾、古牧地、安宁渠、小地窝铺、平顶山、鲤鱼山、八家户等地，沿途进行了两次战斗演习，在鲤鱼山进行了遭遇战演习。总支队指战员发扬了中国工农红军艰苦奋斗的革命传统，严格遵守部队铁的纪律，爱护庄稼，不骚扰群众，不沿途买吃食，不泄露军事秘密。
野营拉练进行约3个月，9月下旬才结束。通过这次训练和演习，总支队指战员在政治上、思想上、军事上都有很大提高。

（四）周恩来代表党中央看望总支队指战员
1939年9月，周恩来副主席因胳膊摔伤去苏联治疗，路过迪化，在邓发和陈潭秋的陪同下，到总支队野外演习营地看望指战员。周恩来首先代表党中央向大家表示慰问，然后讲了三个问题：一是国内外形势；二是党中央对总支队指战员的关心；三是张国焘的错误。周恩来在讲到张国焘的错误和西路军的失败时说："你们是不负任何责任的，你们都是坚强的忠诚的同志，中央信任你们。"指战员们听后很受感动。最后，周恩来讲了学习问题，他说，过去由于战争环境，没有学习文化和军事技术的机会，现在有了这个机会和条件，同志们要抓紧学习，掌握各种军事技术，为抗击日寇学好本领。
西路军左支队指战员在新疆学习、生活了两年多时间。在党中央正确路线的指导下，在党代表陈云、邓发、陈潭秋同志的直接领导下，保持了旺盛的革命斗志和光荣的革命传统，胜利地完成了学习任务。他们纪律严明，团结尊重当地友军官兵，处处维护党和人民的利益，在"六大政策"的基础上，自觉搞好统战工作，深受各族人民的爱戴，为推动各族人民的抗日救亡运动作出了贡献。

（五）总支队指战员返回延安
1938年初，总支队第一期无线电训练班学员何仁忠、杨大奎、杨家德、高家传、聂鑫、陈大孝、王道义、宋有望、阙子山等20余人，结业后由刘寅带队返回延安。
1939年11月，由于形势的变化和抗日战争的需要，中共中央决定，除了参加航空队的学员，其余在迪化的指战员全部撤回延安，朱德总司令向蒋介石作了请示。12月1日，盛世才收到国民党军令部关于蒋介石批准总支队指战员徒手归队的来电。1940年1月8日，国民党军令部何应钦给兰州朱绍良、西安蒋鼎文打电报，为总支队指战员放行。1月21日及以后，盛世才多次就总支队指战员所带武器问题与国民党军令部交涉，经过多次周折，完满解决。与此同时，党中央也给总支队发来两次指示电。第一次指示，大队长（团级）以上干部乘飞机，其余乘汽车。第二次指示，国共两党军队摩擦很厉害，恐路上遇到麻烦，要有得力干部带队。