月11日，中共中央决定渡河部队组成西路军，执行建立河西根据地、打通远方的任务。程世才指挥红三十军先后在凉州和永昌之间同马家军激战，歼灭4000余人，后又在倪家营子与马家军激战40天。1937年3月，西路军失败后，程世才任西路军工作委员会委员，同李先念、李卓然率余部翻越祁连山分水岭，穿过戈壁滩，于4月底到达甘肃、新疆交界处星星峡，在陈云、滕代远的接应下，转至迪化。
抗日战争.1937年12月，程世才返回延安，其后进入抗日军政大学和中共中央党校学习。1939年2月，担任冀热察挺进军参谋