三藩之乱的战火愈加蔓延。康熙十三年（1674）十二月，陕西提督王辅臣于平凉杀经略莫洛，响应吴三桂起兵叛乱，并迅速占据汉中、兴安之地，阻绝川陕栈道。清廷以贝勒董额为大将军率兵征讨，久攻不下，战事吃紧。吴三桂见事机可乘，于十四年十月，遣部将原清四川总督吴之茂以及王屏藩等率兵出四川，进犯秦陇，欲与平凉王辅臣合军，经川陕直捣北京。形势愈加险峻。康熙帝说：“大将军贝勒董额屯兵平凉日久，贼寇尚未剿灭，城池尚未恢复。夫秦省不能即定，川贼尚在窥伺者，皆由王辅臣未剿灭、平凉未克取故也。”尽快剿平王辅臣之乱是平定三藩之乱的当务之急。十五年二月，图海受命为抚远大将军，率每佐领护军二名，疾赴陕西，总辖全省满汉大兵，贝勒董额以下皆听节制，以剿灭王辅臣。
供图海所率之兵不多。当时战线甚长，各处需兵，兵源极度紧张。于是，康熙帝下令增派每佐领骁骑校一名，交与图海率往河南留驻，另派河南兵赴平凉。又令图海选河南抚镇标下鸟枪手二百人，加上西安出征阵亡人等之仆从，令其披甲，一同率赴平凉。康熙帝特赐图海御用衣帽及团龙补服、黄带等物，又赐御用名马二匹、散马二百匹。图海临行前，康熙帝御太和殿，卤薄全设，举行隆重仪式，将敕印赐与图海。接着，命礼部、兵部侍郎送至郊外。图海肩负重任率师起行，开始了新的征程。
图海刚一踏上征途，各地告急警报又接连飞递朝廷。西北方面，贝勒董额疏报：王辅臣声言“将断关山道。臣拟遣兵往守，但见在之兵甚少，难以分发”，“势甚可虞”。陕西提督王进宝等疏言：“贼薄秦州，屯踞北山，阻断临巩之路。秦州之兵无从觅饷，且兵力单弱，战守皆难。”康熙帝令其全力堵剿、加意警备，并令其将一切军机除及时奏报朝廷外并及时具报图海知道。南方湖广岳州前线兵力不足，请求速发援兵。但此时京师往外派兵之数目极其有限。康熙帝下令说：“图海尚在怀庆，应以戍守河南兵每佐领骁骑校一名，选才能者署为夸兰大率赴岳州。”另外，再发京师每佐领骁骑一名与盛京兵一千五百名合为一营，留五百名防戍河南，“其盛京兵千名速添发大将军图海军前”。紧接着江南、江西方面战事吃紧，急请增兵。康熙帝只好重新布署兵力，他认为：“广东变乱，江南、江西殊属可虞，若闽粤诸贼会犯京口等处，则江南兵单，难以防御。且江西告急，自江南往援甚便，官兵不可不增。其调大将军图海所领盛京兵一千名及驻防兖州每佐领骁骑一名，遣赴江南，发京城每佐领兵一名驻兖州。”这样，临时增加给图海的兵员，多数又被截留调往其他战场。
图海临危受命，率领不太多的将士昼夜兼程，于五月十七日到达平凉前线。刚一驻足，他便“明赏罚，申约束”，因而“军威大振”。这时，诸将请求乘势攻取平凉城。图海说：“仁义之师先招怀而后攻伐。吾奉天威讨兹凶竖，无虑不克，顾念城中数十万生灵，无非朝廷赤子，遭贼劫掠至此，覆巢之下杀戮必多。俟其向化归诚，以体圣主好生之德，不更美乎？”这种招抚政策一实行，致使平凉“城中军民闻者莫不感泣，咸思自拔以出”。在政治心理上发动的攻势首先取得了胜利。为了打击敌手的气焰，有利于招抚，图海还是以武力教训了王辅臣。图海首先选取了叛军以精兵踞守的虎山墩，作为攻击目标。虎山墩是平凉城北的制高点，是通西北饷道的战略要地。图海说：“此平凉之咽喉也，得此则饷道绝，城不攻而下矣。”五月十八日，即图海到达平凉地区的第二天，便指挥官兵对虎山墩发动仰攻。王辅臣以万余兵众对抗，并发射火器拼死拒战。图海指挥清军，分路出击，轮番进攻，愈战愈勇。自上午攻至下午，终于杀败敌众，阵斩伪总兵二人，叛军被杀及坠崖死者无数，遂攻下虎山墩。从而占据险要，“视城中如在掌握。因发大炮击其城中营，城中汹惧”。出师首战告捷，清军占据优势。
这时，图海下令停止轰击，按既定计划，派遣幕僚扎授参议道周昌入平凉城招王辅臣。周昌，字培公，荆门（今属湖北）诸生，好奇计，有志略。因协助振武将军吴丹有功，以七品官录用。原来王辅臣部下总兵官黄九畴、布政使龚荣遇都是周昌乡人，他们曾多次劝王辅臣反正，并将此事以蜡丸密报周昌。当图海率征讨大军路过潼关时，周昌进见，特陈述谋略，表示愿为招降王辅臣出力，请求使用。从受命起就一直思索着用招抚来结束平凉战事的图海，得此人才喜出望外，遂留为幕府，以备使用。当清军攻下虎山墩后，即令周昌入城向王辅臣陈说利害，劝其投降。果然见效，王辅臣决定投降，并立即派其副将谢天恩随周昌回营请求赦罪。图海遂将招抚情由疏报朝廷请旨。六月一日，康熙帝颁赦诏。图海接旨后，于六日再派周昌进平凉城宣读赦诏。七日，王辅臣遣其布政使龚荣遇等率士民入清军大营献军民册，又遣其子王继桢及伪总兵蔡元等上缴所受吴三桂伪敕书两件、伪平远大将军印、陕西东路总管大将军印各一颗及诸伪札。图海以王辅臣未亲自出城投降尚怀疑惧之心，于是在十三日再派周昌，同时令自己亲侄前锋侍卫保定随同前往，温言开导。王辅臣因于十五日剃发率众出降。图海令副都统吴丹入城抚谕，做好善后工作，并严明军纪，兵士入城秋毫无犯。鉴于平凉被围日久，已经绝粮，且军民死亡过半，图海特命地方官赈济穷乏，掩埋死骨，其老弱无家可归者遣将士分送安插，因而“远近帖然”。捷报传至京师，康熙帝诏谕：“大将军图海恭承简命，秉钺临边，即宣布恩威，剿抚并用，平凉一带旬日绥平，具见筹画周详，布置神速，克副委用，立奏肤功。朕心深为嘉悦，著从优议叙。”
平凉的收复，使清朝西北战场出现转机。叛军大为震动，已深入陕西的吴之茂军自秦州逃遁。图海于当月下旬，遣振武将军佛尼勒、提督张勇、王进宝等统满汉官兵追剿，接连于牡丹园及西和县北山大败其众。将军穆占也于同时进兵乐门，击败王屏藩部于红崖，收复礼县。叛军一败涂地，顷刻瓦解，伪固原巡抚陈彭、庆阳总兵周扬名、王好问，关山副将孔印雄，以及随叛军北上的云南土司总兵陆道清等，各率所属官兵相继来降，计将官九百余员、兵丁四万八千二百余名。在此同时，图海又进行了一些善后处理。他奏请，将平凉投诚中愿回原籍的苗族官兵加级赏赉妥善发回原籍。康熙帝当即批准。图海了解到起兵叛乱的原广西提督马雄之母及族人俱在固原，为招抚计，特奏请获准令马雄之子马承先、马承霄持书前往广西招降。
图海剿抚得法，卓有成效，使康熙帝极为欣喜。八月，康熙帝特谕吏兵二部：图海“器识老成，才猷练达，赞襄机务，宣力累朝，以文武之长才兼忠爱之至性，劳绩茂著，倚毗良殷。前察哈尔布尔尼背恩反叛，命图海为副将军帅兵征剿，运筹决胜，疆圉敉宁。近以平凉阻兵日久，屡命剿抚，罔有成效，特简图海为大将军统率大军节制各路，果尔谋略渊深，调度得宜，军锋所至，一战克捷。更能体朕好生之心，宣布恩威，开诚招抚，遂使平凉、庆阳、固原等处文武官员兵民倾心向化，悔罪归诚。生灵免于涂炭，边境赖以保安，数日之间关陇悉定。皆由筹画周详，布置神速，剿抚并用，克建肤功。图海以心膂大臣，膺秉钺重寄，实心为国，克副倚任，朕心深为嘉悦。”于是下令除以军功议叙外，“从优加恩”，封三等公，世袭罔替，“以示朕眷注忠勤，酬答勋庸至意”。康熙帝对图海宠信倚重之情溢于言表。