兰州战役打响前，马步芳在对部属的命令中宣称：“本署以诱敌于有利地形与之决战，凭天然屏障筑工严密部署，如敌来犯，决举全力一鼓而歼灭之。”
敌兰州总指挥马继援则扬言兰州是“攻不破的铁城”。
青海军阀马步芳部是以家族世袭统治和宗教控制为特点的封建军事集团。是一支凶悍的、有战斗力的部队。士兵长期受反共教育，异常残暴野蛮。作战时往往前有敢死队，后有督战队。土地革命战争时期，红军西路军吃过它的亏，在西府战役中它又占了点便宜，因而这支部队气焰仍很嚣张。
8月中旬，逃到广东的国民党政府为阻止第一野战军主力南越秦岭、巴山，向四川进军，极力策动“二马”与野战军决战，把野战军拖在西北。他们为此召集“二马”和胡宗南到广州举行“西北联防会议”，策划“兰州决战计划”，企图以青马据守兰州，吸引和消耗第一野战军主力，尔后以宁马和胡宗南部进行侧击，合歼我野战军。
青马把兰州决战看成是自己生死存亡的关键，周密地研究对策，布置兵力，拟定了详尽的作战方案。依据敌人真实的作战纪要记载，敌西北军政长官公署守备兰州的部署如下：
（1）以陇东兵团主力（第八十二军、第一二九军附榴弹炮一营）在狗娃山、皋兰山、东岗坡一带既设工事占领阵地，部署强有力的机动部队于四墩坪迄七里河间地区。该兵团的骑兵部队，配置在兰州、河口间黄河北岸，担任沿河守备。
（2）陇南兵团的第九十一军、第一二○军，配置在兰州、靖远间黄河北岸，以巩固兰州左翼。
（3）韩起功骑兵军（系兰州战役前不久，由地方团队编凑而成）守备洮河，巩固兰州右翼，并看守青海大门。
以上部署的作战意图是：
（1）部署有力骑兵部队于榆中、甘草店一带，迟滞敌军前进，以赢得防御准备时间。
（2）敌军主力直扑兰州时，兰州守军藉工事以炽盛火力，予以杀伤，当敌我兵力接近平衡时，断然转移攻势，此时北岸骑乓部队支援骑兵军，努力击破当面之敌，向内官营、定西挺进，兰州左翼部队向巉口附近挺进，包围敌人于榆中地区歼灭之。
（3）倘敌军主力向洮河方面进攻，兰州及其东北地区守军应断然出击，向敌军主力侧背攻击之。
（4）万一敌军主攻指向靖远方面，该方面宁军应极力阻其渡河，同时兰州及同心城部队应构成钳形攻势，乘敌军半渡歼灭之。
（5）宁夏及兰州两方面部队，应积极准备，互相策应作战。
在青马各部周密准备的同时，第一野战军部分官兵却由于陇东追击战发展顺利，产生了轻敌麻痹思想，另外，他们也认为敌有可能放弃兰州，担心失去歼灭马家军的有利战机。于是，一野部队抵兰州外围的第二天，在准备不足的情况下，就向古城岭、营盘岭、狗娃山等几个兰州外围阵地发起试攻。敌军充分发挥了兵力火力，第一野战军攻城部队在外围攻击受挫，并有不小的伤亡。
鉴于这种情况，彭德怀果断下令停止攻击，要求各兵团总结经验教训，仔细侦察敌情，查看地形，充分做好战前准备。根据彭德怀的命令，各攻城部队用三天时间普遍进行阵地总结，深入政治动员，克服轻敌思想；发扬军事民主，研究进攻战术；认真侦察地形，反复夜摸道路，并挖壕沟接近敌人阵地；大力组织骡马和勤杂人员，动员一切人力、物力，运输物资器材。
第一野战军虽然试攻受挫，但摸清了敌人的部署、战术特点和地形情况。8月21日，第一野战军司令部给各兵团发出指示，对战斗中火力组织、战斗队形和战术应用等提出了明确要求，还特别强调：
青马匪军为今日敌军中最有战斗力的部队，在全国也是有数的顽敌。我们对他须有足够的估计，并作充分的精神准备，力戒轻敌、骄傲急性。进攻时，须仔细侦察，精密计划，充分准备，作正规的进攻。任何疏忽大意与侥幸心理，都是错误的。
彭德怀还指示王震：
青马匪军现决心固守兰州，工事又相当坚固，夹河而阵，地形亦有利于守，在左兵团进占临夏后，可能动摇其固守决心，但亦可能促进其不顾一切决心死守，甚至放弃西宁撤守大通河东岸及享堂新城湟水北岸保障凉、甘、肃州退路。在我攻兰州六七天不得手时，宁马主力可能车运增援兰州（青宁两马汽车据云二千辆以上），似此我将集中三个兵团于兰州会战。你们占领临夏、永靖两城后，须休息两天补充粮食，弄清情况，再定行动。
根据这一部署，在第二、十九兵团进行强攻兰州准备的同时，担任截击兰州战役中可能西逃之敌的左路军第一兵团正急速行军。第一兵团的迅速挺进，使兰州守敌右侧安全和马步芳老巢西宁受到严重威胁，马步芳不得不抽调骑兵第八旅和骑兵第十四旅回西宁担任守备任务。
第一野战军三路大军包围兰州并且击破敌一翼后，胡宗南并未出兵解兰州之急，援兰州的宁马被我第六十四军钳制在海原不得前进，实际上形成了青马孤军困守兰州的局面。
8月23日，中央军委指示第一野战军首长：“马步芳既决心守兰州，有利于我军歼灭该敌。为歼灭该敌起见，似须集中三个兵团全力于攻兰战役。王震兵团从上游渡河后，似宜迂回于兰州后方，即切断兰州通青海及新疆的路并参加攻击，而主要是切断通新疆的路，务不使马步芳退至新疆，为害无穷。攻击前似须有一星期或更多时间使部队恢复疲劳，详细侦察敌情、地形和鼓动士气，作充分的战斗准备，并须准备一次打不开而用二次、三次攻击去歼灭马敌和攻占兰州。”
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