1936年10月，中國工農紅軍三大方面軍在甘肅會寧和將台堡會師，勝利結束了萬里長征。然而敵人集結了40萬大軍，以胡宗南精銳部隊為主力，四而圍剿而來。為了擺脫困境，中革軍委制定了《寧夏戰役計劃》，集中紅一、紅四兩大方面軍主力，西渡黃河，向寧夏發展。
然而敵情變化太快，敵人裝備優勢，兵力眾多，兇狠推進，紅軍雖頑強奮戰，但敵眾我寡，只能且戰且退。這樣被敵人搶先截斷了黃河渡口，紅四方面軍主力3個軍已經渡河，而紅一方面軍主力尚未過河，紅軍被截為兩段，原作戰計劃已經無法執行。
根據中革軍委命令，在黃河西岸的紅四方面軍部隊組成紅軍西路軍，單獨遠征，在河西建立根據地，並執行打通「國際交通線」的任務。於是，河西紅軍開始了悲壯的浴血西征。由於河西路途遙遠，地形、氣候、民風、物產條件都很困難，西路軍難以在當地立足，又遭到兵力裝備優勢且戰鬥力很強的馬家軍圍攻，因而陷入了極為險惡的困境中。
在過河不久的古浪戰鬥中，西路軍的主力部隊紅9軍因孤軍突出，遭到馬家軍圍攻，經過頑強苦戰才擺脫困境，但全軍傷亡慘重。此時紅9軍27師代理副師長正是1955年開國中將陶勇，對於古浪戰鬥他後來多次提及，教訓沉痛。隨著西路軍一路艱難向西挺進，不斷有部隊損失，有重要幹部傷亡，全軍經過幾次縮編，陶勇先後改任了紅4軍10師28團團長、紅9軍27師81團團長等職。
西路軍的力量不斷受到削弱，當進至河西走廊的古浪、永昌、山丹、高台、倪家營子一線時，受到馬家軍更加兇狠地圍攻，晝夜血戰，犧牲巨大。紅軍上至首長，下到普通一兵，都和敵人當面廝殺。如改任團長的陶勇，手揮大刀身先士卒，屢屢血刃頑敵，而自己卻奇蹟般地毫髮未損。
走到祁連山的時候，西路軍力量耗盡，最終失敗。倖存官兵分散突圍，爭取保存自身，東山再起。陶勇奉命帶領部分戰士牽制追擊上來的敵人，掩護軍首長和主力突圍。在完成任務後，陶勇他們才輾轉甩開敵人。由於馬家軍瘋狂追擊，陶勇和其餘人員失散，孤身一人向東走，穿越沙漠，忍受饑寒。然而，他還是被敵人追上抓住，後被押解到涼州俘管營關押。
在被押期間，陶勇和其他西路軍戰友被強迫去修橋築路、開礦開荒，吃盡辛苦。敵人還刑訊審問他們，陶勇們堅貞不屈，絕不出賣同志。後來因為西安事變後國共實現了第二次合作，在我方的積極交涉下，馬家軍方面才不得不做出了一些姿態，對被俘的西路軍官兵進行了生活改善。
抗戰爆發後，陝北紅軍改編成了八路軍，準備東渡黃河抗擊日軍。在這種變化了的形勢下，陶勇和部分西路軍幹部終於獲釋，回歸了革命隊伍。他們輾轉回到延安，並進入抗大學習。半年學習結束後，陶勇和一批幹部被分配到了皖南的新四軍工作，陶勇任陳毅為司令員的第1支隊副參謀長。從此，他開始了新的軍事生涯。