红军组成西路军，进行西征，西征军遇到了强悍的马家军和各种难以想像的困难，最后兵败高台。王树声历尽千辛万苦回到了延安，进入抗大马列学院学习，进一步提高了军政素质。
1936年10月，中国工农红军结束了举世瞩目的二万五千里长征，红一、二、四方面军胜利会师。这时王树声由于长征的积劳，已是疾病缠身，病倒了。
但对于王树声和他的战友来说，不仅尚未尽情享受长征胜利的喜悦，甚至是征程未洗，他们又接到了中国工农红军最为悲壮的任务，那就是西渡黄河，先北进执行“宁夏战役计划”，再“打通国际路线”。
出征前，徐向前曾征求过王树声的意见，怕他身体不行。但王树声义不容辞地接受了命令，一再坚持要去，他希望借此机会，到最艰苦的地方磨炼自己。
当时西行计划的确立主要是针对蒋介石的剿共部署，蒋介石的剿共部署分为两步：第一步，组织通渭会战，主要在西兰大道地区，给红军主力以致命的打击，防止红军西渡黄河；第二步组织最后围剿，集中几十万大军，配备一百架新式战斗轰炸机，采取稳扎稳打、步步为营战术，将红军主力压迫至黄河以东、西兰大道以北地区，一举消灭。
1936年10月上旬，张学良把蒋介石的通渭会战计划秘密通报给中共中央，提议红军及早进行宁夏战役，打通苏联通道。中共中央在征求了各方面军领导人的意见之后，决定执行宁夏战役计划，提出《十月份作战纲领》。10月23日，朱德、张国焘电令徐向前、陈昌浩：“红军三十军首先渡河，红九军跟进。如渡河不成，南敌突进，则以红九军配合南线部队击敌。”10月25日，红三十军二六三团一举突破黄河天险，在虎豹口偷渡成功。接着，后续部队迅速抢渡，锐不可挡，摧毁马家军沿河防线，控制了上百里的沿河地带。
红三十军、红九军和红五军团共约2万余人渡过黄河，时称红四方面军河西部队。他们一登岸，立即向北展开了全面进攻。
王树声当时仍旧担任红四方面军总部教导团团长，随红九军行动。首战一条山、锁罕堡，再战拉拉牌、镇虏堡。这几仗，红军取得了一定的战绩，但也打得相当艰苦。11月8日，中共中央根据情况的变化，放弃执行宁夏战役计划，电令徐向前、陈昌浩指挥已过黄河的红三十军、红九军、红五军团组成西路军，在河西创立根据地，以直接打通苏联国际路线，并任命陈昌浩、徐向前为西路军军政委员会正、副主席。
11月上旬末，西路军分三个纵队向西进发。第一纵队为红三十军，在右翼由一条山地区向大靖前进；第二纵队为红九军，在左翼由镇虏堡地区经松山城、干柴洼向古浪前进；红五军团为第三纵队，经吴家川等地在红三十军之后跟进。总指挥部直属队和王树声，仍随红九军一起行动。
11月中旬，西路军相继克永昌、山丹等县，占据了永昌迄凉州西北四十里铺一线。但胜利只是暂时的，西路军立即面临着极大的困难。
古浪城一战，红九军与数倍于己的敌人苦战三日，才在红三十一军的一个团的接应下突出重围，损失惨重，元气大伤。
于危难之际，王树声受命担任西路军副总指挥兼红九军军长。当红九军到永昌时，红三十军已向山丹挺进只留下红三十军八十八师会合，由于战线过长，兵力过于分散，我步兵活动受到巨大限制，而敌人却是视红军为不共戴天之仇的马家军匪帮。
果然，红军还未立稳脚跟，敌人便以数倍于红军的兵力，气势汹汹地猛扑过来。疯狂的马匪在炮火掩护下，猛冲猛砍，形势相当危急。
王树声冷静地指挥部队应战，据城抗击，死死抵住了敌人的数次进攻。但终因敌众我寡，力量对比悬殊，王树声为保存有生力量，将部队撤出了永昌城。
1月20日，红五军团与敌军血战高台，结果力竭援绝，军长董振堂、政治部主任杨克明、红十三师师长叶崇本以及3000余红军官兵，大部分壮烈牺牲。
次日，救援高台的骑兵师，半途遭敌军围截，师长董俊彦、政委秦贤疲等，都在激战中英勇献身。
南流沟一战，持续五天，已不满3000人的西路军才脱险而出，部队来到了祁连山下，疲惫不堪地行进在冰天雪地的河西走廊上。
西路军艰难地行进至石窝子地区，西路军总部召开了一次前敌委员会。徐向前、陈昌浩、王树声、李先念、李卓然、熊厚发等领导看到眼前的景象，都禁不住热泪横流。望着伤痕累累的战士们，总部首长控制住了内心的悲痛，经过讨论，作出了几项决定。
会议决定，部队改变原来的组织机构，徐向前、陈昌浩回陕北，向党中央汇报西路军的情况。由李卓然、王树声、李先念等组成西路军工作委员会，以李卓然任书记，统一领导。
李先念和红三十军代军长程世才、政治部主任李天焕等率领的红三十军千余人组成的一个支队，于3月4日晚向南行动，深入祁连山区打游击。
王树声率领红九军和骑兵师担负起了最艰苦的任务，一是要掩护红三十军进入祁连山腹地，二是要坚持打游击战，保证革命的火种不会在祁连山区熄灭。
1937年3月13日，红九军剩余的300多人和骑兵师剩下的100多骑兵，编为右支队，在西路军副总指挥兼红九军代军长王树声等率领下，沿祁连山深处向东跋涉。
王树声和骑兵师部走在一起，由于连续行军打仗，部队过于疲劳，不少战士骑在马背上睡着了。天蒙蒙亮的时候才发觉部队前后失掉了联系，只剩下王树声代军长和骑兵师师长杜义德、参谋长李彩云、作战科长李新国及其他几个干部和警卫员、通讯员，共24人。大家立即爬山占领山头，查找失散的部队。爬上山顶，天已经大亮了，前后都不见一个红军战士的踪影，只听到后方的远处响着枪声，是敌人的队伍追上来了。大家赶快翻过一个山头，沿着另一条山沟转移，这才摆脱了尾追的敌人，但是，从此与失散的部队再也联络不上了。
此后，右支队的24个人，在王树声和杜义德的带领下，在无穷无尽的祁连雪山中，翻山越岭，穿越深谷和密林，像林海雪原中的一叶孤舟，在雪峰狭谷间飘游。第三天，敌人又沿着马蹄的印子追上来了，5个同志断后狙击。王树声等19名同志绕了个大圈子，终于摆脱了敌人，担任掩护的同志却再也没有回来。
19人小队继续在祁连山中兜圈子。一天，走到一条岔河沟，又和敌人遭遇，大家立即调转马头，边打边退。等摆脱了敌人，查点人数，仅剩下11人，其余的8名同志在这次遭遇战中牺牲或负伤被俘了。
11个人的小支队在山里与敌人周旋着，试图走出祁连山口，从蒙古方向绕道回陕北。但敌人在每一个山口布置了至少一个排或一个班的哨卡，几次试探，都没有成功。
又过了一段时间，王树声和战士们从路人口中打听到，敌军已经撤兵，停止封山。他立即作出了决定，走出祁连山，东返陕甘！
历尽千辛万苦，王树声终于来到了革命圣地延安。这位铁打的汉子，又一次流下了热泪。
听说王树声回来了，毛泽东要亲自请他吃饭，为他洗尘。长征路上，王树声在毛儿盖曾经拜见过毛泽东，当时，由于战事紧张，未及畅谈。现在，再见到毛泽东，他又是另一番的感受。
王树声怀着沉痛的心情详细汇报了西路军的作战经过，并深刻地对自己在作战中的过失和应负的责任作了检讨。
毛泽东没有责备他，反而表扬了他勇于承担责任的精神，说道：“西路军是党的军队，他们为党英勇奋斗不怕牺牲，为中国革命作出了很大贡献。
“树声同志，你是党的好干部，在工作中也许有缺点、有毛病，但哪一个同志在工作中没有错误、没有毛病呢？我们不能以老眼光看人。人嘛，应该向前看！”
毛泽东随后还亲笔写了信，介绍王树声到抗大里去学习。王树声非常珍惜这个学习机会，抗大毕业后，为了更进一步完善自己，他又申请到马列学院继续深造，提高了自己的政治理论素质。