8 月19至20日，第二兵團和十九兵團順利進抵蘭州城郊，從東、西、南三面包圍了蘭州。
蘭州是甘肅、寧夏、青海、新疆四省的交通樞紐，是國民黨西北軍政長官公署所在地，國民黨在西北的政治、軍事中心。蘭州三面環山，北有天險黃河、白塔山可依託，南有南山作屏障。國民黨軍在抗戰期間就修築了堅固的工事，青馬又不斷將其構築加固。主陣地修有鋼筋水泥碉堡，形成碉堡群，通向城裡的環山公路與各主要陣地相連線。陣地外斜面有環形人工削壁一至二道，高六至十米，削壁腰部有暗藏的側射機槍火力點，削壁外有一兩層三至六米深的外壕，各壕間又有暗堡和野戰工事。陣地前埋設大量地雷及鐵絲網。馬步芳部憑藉堅固工事，既便於使用火力，又便於組織反撲。
蘭州戰役打響前，馬步芳在對部屬的命令中宣稱：“本署以誘敵於有利地形與之決戰，憑天然屏障築工嚴密部署，如敵來犯，決舉全力一鼓而殲滅
之。“
敵蘭州總指揮馬繼援則揚言蘭州是“攻不破的鐵城”。
青海軍閥馬步芳部是以家族世襲統治和宗教控制為特點的封建軍事集團。是一支兇悍的、有戰鬥力的部隊。士兵長期受反共教育，異常殘暴野蠻。
作戰時往往前有敢死隊，後有督戰隊。土地革命戰爭時期，紅軍西路軍吃過它的虧，在西府戰役中它又佔了點便宜，因而這支部隊氣焰仍很囂張。
8 月中旬，逃到廣東的國民黨政府為阻止第一野戰軍主力南越秦嶺、巴山，向四川進軍，極力策動“二馬”與野戰軍決戰，把野戰軍拖在西北。他們為此召集“二馬”和胡宗南到廣州舉行“西北聯防會議”，策劃“蘭州決戰計劃”，企圖以青馬據守蘭州，吸引和消耗第一野戰軍主力，爾後以寧馬和胡宗南部進行側擊，合殲我野戰軍。
青馬把蘭州決戰看成是自己生死存亡的關鍵，周密地研究對策，佈置兵力，擬定了詳盡的作戰方案。依據敵人真實的作戰紀要記載，敵西北軍政長官公署守備蘭州的部署如下：（1 ）以隴東兵團主力（第八十二軍、第一二九軍附榴彈炮一營）在狗娃山、皋蘭山、東崗坡一帶既設工事佔領陣地，部署強有力的機動部隊於四墩坪迄七里河間地區。該兵團的騎兵部隊，配置在蘭州、河口間黃河北岸，擔任沿河守備。
（2 ）隴南兵團的第九十一軍、第一二○軍，配置在蘭州、靖遠間黃河北岸，以鞏固蘭州左翼。
（3 ）韓起功騎兵軍（系蘭州戰役前不久，由地方團隊編湊而成）守備洮河，鞏固蘭州右翼，並看守青海大門。
以上部署的作戰意圖是：（1 ）部署有力騎兵部隊於榆中、甘草店一帶，遲滯敵軍前進，以贏得防禦準備時間。
（2 ）敵軍主力直撲蘭州時，蘭州守軍藉工事以熾盛火力，予以殺傷，當敵我兵力接近平衡時，斷然轉移攻勢，此時北岸騎乓部隊支援騎兵軍，努力擊破當面之敵，向內官營、定西挺進，蘭州左翼部隊向巉口附近挺進，包圍敵人於榆中地區殲滅之。
（3 ）倘敵軍主力向洮河方面進攻，蘭州及其東北地區守軍應斷然出擊，向敵軍主力側背攻擊之。
（4 ）萬一敵軍主攻指向靖遠方面，該方面寧軍應極力阻其渡河，同時蘭州及同心城部隊應構成鉗形攻勢，乘敵軍半渡殲滅之。
（5 ）寧夏及蘭州兩方面部隊，應積極準備，互相策應作戰。
在青馬各部周密準備的同時，第一野戰軍部分官兵卻由於隴東追擊戰發展順利，產生了輕敵麻痺思想，另外，他們也認為敵有可能放棄蘭州，擔心失去殲滅馬家軍的有利戰機。於是，一野部隊抵蘭州外圍的第二天，在準備不足的情況下，就向古城嶺、營盤嶺、狗娃山等幾個蘭州外圍陣地發起試攻。
敵軍充分發揮了兵力火力，第一野戰軍攻城部隊在外圍攻擊受挫，並有不小的傷亡。
鑑於這種情況，彭德懷果斷下令停止攻擊，要求各兵團總結經驗教訓，仔細偵察敵情，檢視地形，充分做好戰前準備。
根據彭德懷的命令，各攻城部隊用三天時間普遍進行陣地總結，深入政治動員，克服輕敵思想；發揚軍事民主，研究進攻戰術；認真偵察地形，反
復夜摸道路，並挖壕溝接近敵人陣地；大力組織騾馬和勤雜人員，動員一切人力、物力，運輸物資器材。
第一野戰軍雖然試攻受挫，但摸清了敵人的部署、戰術特點和地形情況。
8 月21日，第一野戰軍司令部給各兵團發出指示，對戰