红军西路军渡过黄河之后，克古浪、占永昌，同国民党军马步青、马步芳部展开激战。马家军10倍于红军西路军，天时地利，补给充足，以逸待劳。红军西路军不只兵力少于敌人，而且是长途远征，任务多变，又逢严寒冬季，粮食、弹药和被装都缺乏补给。河西走廊气候恶劣，经常风沙扑面，入冬时节呵气成冰。红军西路军就是在这西北旷野里行军、作战，缺衣少食，困难处境一天天加重。红5军攻占高台，董振堂军长壮烈牺牲。徐立清带着红军西路军总卫生部机关、医院和大批伤病员，在零下30多度滴水成冰的寒夜里，紧跟部队，一边突围作战，一面救护、收容伤病员。伤病员一天天增多，又缺医少药，连裹扎伤口的绷带布也没有。徐立清想方设法，发动广大干部和医护人员，向面临的一个又一个困难作斗争。
1937年2月，红军西路军于高台倪家营子陷入敌人重围，血战七昼夜，突围到祁连山，敌人跟踪追击，形势十分危急。徐立清临危受命，带总卫生部、医院工勤人员、伤病员及随军家属千余非战斗人员，编为2纵队，向西线山区行动，吸引敌人，掩护西路军残存的战斗部队摆脱敌人，进入深山区，分散游击，坚持斗争。徐立清以暴露自己、冒重大牺牲的风险带队西进。一开始敌人没有追击，他便将工勤人员和轻伤病员组成游击小组，把公款(50个金戒指)分给游击小组作经费分散打游击。第三天，敌步、骑兵向徐立清率领的西进诱敌队伍包围进攻。徐立清命令游击小组向西南深山区隐蔽。他偕医院院长丁世芳、书记汪运先、医生及警卫员等在转移时与敌人遭遇。在向深山老林退却隐蔽时，与同行的丁世芳失散了。同结婚一年多的妻子刘明清(四川人)也失散了。待到黑夜，他们继续西行。徐立清原想到宁夏过黄河去陕北。他们在路上听牧民说，到宁夏要经过大沙漠，没有牲口过不去。他们还听说，又有红军到河西来了。徐立清估计可能是红军的援西军来了，于是又回头东进。行进途中，遇到红30军一个炊事员和几名失散的红军人员。徐立清集合了这些失散人员，想去找主力红军，找援兵，都没能实现。他们在雪山草地坚持近一个月，夜行晓宿，同敌人周旋。敌人的搜山一天更严一天，几次他们几乎被敌人捉住。尤其没有饭吃，他们的体力也一天不如一天，但他们互相搀扶着继续向东南方向走，互相鼓励着，发誓爬也要爬到陕北去找党中央、毛主席。徐立清一行于4月上旬渡过黑河，走到甘州（今张掖)西南的山上，拂晓前隐蔽休息，派出一人放哨，又派炊事员去半山坡一间茅草屋里找水喝。由于徐立清一行太疲劳了，一躺下来就睡着了，哨兵也坐着睡着了。去茅草屋找水的炊事员被敌人俘虏了。炊事员一口四川话，暴露了红军的身份，在敌人威逼下供出了他们一行人的情况，并把敌人引到徐立清隐蔽休息的地方。徐立清一行还在睡梦中就被敌人全部逮捕。他们被敌人捆送甘州坐了三天牢，又被送到凉州坐牢半个月，尔后被送到兰州敌第97师，编入被俘人员战士队。其间，徐立清被敌人审问过六次，被打过一次，他始终坚持说自己是普通红军战士，什么也不知道。徐立清当时化名徐映清，身披一件光板老羊皮袄，头戴一顶破毡帽，耷拉下帽檐遮住半个脸，成天埋头同被俘战士一起修路。在兰州敌营修路约一个月。一天在河边洗脸，叛徒乔国建、袁炽昌告敌，当面指认徐立清是当官的。敌人这才把徐立清解到被俘的军官队里。但乔、袁同徐立清并不很熟悉，只在住院时见过他的面，不知道他的真实身份和职务。徐立清谎称是医院的医务主任。5月，中共驻西安办事处派张纯青到兰州看望被俘人员，经过交涉，对方说鉴于抗日民族统一战线已经建立，徐立清等转到西安后可回延安。6月，敌方将徐立清等押解西安。路上，押解的敌军抢群众的东西，反诬是红军抢的。徐立清识破了敌人的诡计，在被俘人员和群众中做工作，揭露敌人的阴谋。行至平凉地区，路边的小贩中有红军援西军派出的情报人员，徐立清假装买东西同“小贩”接触，“小贩”告诉他向东北跑，到镇原找红军。一天午夜，趁天下大雨徐立清打开住室的后窗，跳窗越墙，在大雨中向东北方向拼命跑，终于逃出了敌人虎口。第二天，他在镇原找到红军援西军政治部，经徐太先、董贤映证明，徐立清恢复了党籍。7月，徐立清出任红军援西军政治部宣传科科长，参加审查归队的被俘人员的工作。