以毛澤東為首的共產黨人胸有成竹，大軍直指蘭州，以蔣介石為守的國民黨政權雖日薄西山，卻也不甘退出曆史舞台，網羅起一支大軍，企圖在西北腹地蘭州，阻止共產黨奪取全國政權的步伐。蘭州是國民黨西北長官公署所在地，不僅是其政治、軍事中心，也是西北大地的戰略樞紐，甘寧青新四省區，一城之得失，關乎占國土一半以上的地區的政治命運。在解放大軍摧城拔寨，一路鼓蕩西來之前，國民黨軍隊已在蘭州做了精心部署。以蘭州天然地形，國民黨部隊的防禦重點在城南。蘭州城南由綿延數十裏的高山組成，從東到西，依次為十裏山、馬家山、竇家山、沈家嶺、狗娃山，峰巒高聳，互為依托，將蘭州圍得鐵桶相似。國民黨軍在山上修築了大量工事，明碉暗堡結合，溝障壕塹相連，主陣地密布鋼筋水泥碉堡群，陣地前沿有一至三道環形人工峭壁，高達六至十米，並附設暗火力點和戰壕，以及鹿柴、雷區、鐵絲網，陣地間有交通壕貫通，火力點可互相支援和掩護，盤山公路從城裏直達山頂。
物力配備如此，人力更是傾其所有。一九四九年五月二十四日，國民黨政府任命馬步芳為西北軍政長官署代理長官，七月二十七日，又正式任命其為長官。馬步芳實現了多年來成為“西北王”的夢想。就任後，他指揮經營多年的馬家軍和國民黨其他部隊抗擊解放軍西進。可是，國民黨政權已是兵敗如山倒。扶眉戰役後，解放軍拿下陝西，虎視甘肅。馬步芳調動各路人馬，企圖組織“平涼決戰計劃”。可是，未等實施，“寧馬”馬鴻逵便率部退守六盤山，計劃流產。國民黨政府指示行政院長閻錫山在廣州召開西北聯防會議，協調胡宗南、馬步芳、馬鴻逵之間的矛盾，強調以大局為重，團結抗共。會議決定，青海馬步芳部節節抗擊入甘解放軍，之後退防蘭州，憑險固守；馬鴻逵部由固原西進蘭州，裏應外合反包圍夾擊；胡宗南部主力以隴南為依托，北上攻擊，三軍協同，殲滅解放軍於蘭州城下。
為此，馬步芳製定了蘭州決戰計劃。此時，馬步芳手中共有五萬軍隊。真是今非昔比，國共分分和和二十八年，兩軍對壘，從來都是國強共弱，而到了一九四九年，天翻地覆，在差不多的重大戰役中，共產黨部隊都占有壓倒優勢。在蘭州也一樣，共產黨軍隊擁有三十四萬人的百戰雄兵，連戰連捷，士氣如日中天，國軍區區五萬人馬，剛從關中、隴東，一路敗退蘭州，嘴上喊的與共軍決戰，實則軍心浮動，各懷心事。但是，作為西北最高軍政長官的馬步芳已無退路，他把守衛蘭州的任務交給兒子馬繼援，自個坐鎮西寧，應付全局。其實，國民黨的滅亡已指日可待，路人皆知，作為封疆大吏的馬步芳豈能不知？不過，蘭州是馬家軍最重要的據點，蘭州不保，西寧、河西、寧夏，乃至整個大西北，就將全線崩潰。馬步芳在蘭州是這樣部署的：由身任青海兵團司令官的馬繼援率主力八十二軍，與部分配屬部隊重點防守蘭州南山之馬家山、營盤嶺、沈家嶺一線；馬步鑾之一二九軍配置在拱星墩和西關一線；青海兵團直屬之榴彈營駐守東教場；甘肅省保安司令部所屬三個保安團，駐防東崗、焦家灣機場；以第九十一軍、一二。軍和馬鴻賓等第八十一軍共三萬餘人，防守蘭州東北至靖遠、景泰的黃河沿線，保障左翼安全，並相機側擊人民解放軍；以新編之騎兵軍一萬餘人為右翼，控製臨洮、洮沙地區，保障其右翼安全。同時，馬步芳又急調新疆的騎五軍星夜馳援蘭州，還電請國民黨中央政府，派飛機來蘭州參戰。
八月十二日，國民黨蘭州決戰指揮部成立，馬繼援任作總指揮，指揮部成員還有：西北軍政長官公署副長官兼參謀長劉任，第一二九軍軍長馬步鑾，寧夏兵團前線指揮官兼一二八軍軍長盧忠良，八十二軍副軍長趙遂，八十二軍參謀長兼指揮部參謀長馬文鼎。決戰指揮部設在廟灘子。