兰州防御计划，以东西一线的山地防御为重点。
东面以东岗坡为重点，由一师谭成祥部把守；西面以狗娃山为据点，由一九师马振武部把守；南面以皋兰山为据点，由二四八师韩得胜部把守。一二九军杨修戎师和马璋作为总预备队，并在飞机场设置重炮，准备突击迎战。
北部河防，由一二九军及各师直属骑兵团扼守。同时调新编骑兵军转主外线洮河一带，防守临夏门户。
为了保密起见，马继援将司令部移至河北，由公署参谋长刘任主持，他本人与马步芳仍居住在长官公署，指挥前线战事，企图败中求胜，创造奇迹。
8月初，马步芳从广州飞回兰州后，立即向长官公署的军政官员，传达了广州军事会议的部署。在会上，马步芳说道：“我在广州会议上向蒋委员长提出，给我十架飞机，我就能把青天白日旗高举十年。蒋委员长大为赞赏，他说不只要给我们飞机，而且要给三十架重型轰炸机，协助我们在兰州作战。这是对我们的很大支援。兰州从东岗坡到狗娃山、沈家岭一线的防御工事，我已视察过，可谓是固若金汤，坚不可摧，万无一失。各参战部队，士气旺盛，人心很齐，纷纷表示要在兰州战役中与兰州共存亡，给共产党来个硬头，打出我们青海军队的威风。委员长也答应派前军令部长徐永昌和空军司令王书铭来兰视察，指导军事，明日即可来兰。只要我军在兰坚守一个时期，各路援军就会齐集兰州城下，兰州会战是可以稳操胜券的。”
马振武说道：“咸阳战役没打胜，引得我们全线大退却，失去了成功的机会。兰州决战，生死存亡在此一举，我们要与共军决一死战。过去，我们从西宁出发时真像个虎头，确保兰州万不能当个蛇尾。兰州战役如若打不胜，我们有何颜面见家乡的父老呢？宁夏的马鸿逵和陇南的周嘉彬、王治岐等部，现在各有各的打算，他们都按兵不动，看来不但靠不住，而且还要看我们的下场哩！现在，胡宗南也是靠不住，只有靠我们自己了，让新疆的骑五师下来会师，才有希望哩。”
新任公署高级参谋的马元海说道：“如今解放军大兵压境，我们退不可退，只有拼死一战了。胡大保佑，倘若我们一战而胜，亦可死里求生。公署中有人说，背水之战打不得，依我看，背水也没有什么不好，军处绝境，将士有必死之心，就可以奋勇杀敌，以一当十。有人劝我们起义，我们部队中的一些将领，也商议着投诚共产党，这怎么行呢？以往我们把共产党的红四方面军在河西打死了很多人，现在共产党难道就不清算这笔细账吗？共产党将笼头套在我们的头上，那就身不由己了，要打要杀不由人家说了算？”
第一师师长谭成祥说道：“城下之盟的道路万万走不得，杜聿明战败被俘后，还不是让解放军用汽油烧死了吗？我们目前还有十多万兵马，共产党要拿下兰州城，也是万万不能的。共军若敢来犯，我们将迎头给予毁灭性的打击！”
一师是八十二军的精锐，马继援在部署防御中以东面为重点，将一师摆在东岗镇，并将骑兵埋伏在东岗坡的山沟里，如解放军败退，即用骑兵进行追击。
一师所守阵地和窦家山一带，地形开阔，尤其在马架山主阵地一带居高临下，有些阵地设在悬崖山，好像城墙，上面设有大量的炸弹和木石。谭呈祥带领团以上军官视察阵地时非常高兴。他在会上说道：“我们那一带的阵地地形确实好，运输有环山公路很方便，工事构筑那样坚固，只要能够严密防守，敌人要从正面进攻来夺取阵地，是万万办不到的！”
二四八师师长韩得胜说道：“我们皋兰山堡垒也是铜墙铁壁，共军若敢来犯，便是他们葬身的坟墓，定叫他有来无回！”
马步芳的这次军事会议，不光是制造声势、鼓舞士气的战前动员，也是对一些主和派将领的示威压制。当时军中盛传这样的消息，马继援曾和兵站四十二支部长马全钦、师长马振武做过投降解放军的密议，但终因怕通不过马步芳和部属谭呈祥、马成贤、马英等，未敢公开。
马步芳从广州回到兰州后，怀疑马继援是受其舅父马全钦的鼓动，于是将马全义调回了西宁，任命他为新编步兵军长。
兰州的防御配备，由两部分组成：其一为皋兰防线，其二为河防。皋兰防线自东向西，兵力部署是东岗坡一师，五泉山二四八师，沈家岭、狗娃山、七里河一线为一九师（配属三五七师）。河防一线的具体兵力配备是由靖远黄河对岸到泥湾，分别由一二、九十军、一九师骑兵团担任。由七里河对岸到黄河河口，分别由一二九军直属三五八师、骑八旅担任。总兵力达十万人。
一九师师部设在兰州城西关九间楼。具体兵力分配是五六八团守狗娃山，五六九团（四个营）守沈家岭，含兰阿公路防守。
三五七师守七里河、面粉厂至黄河南岸，含兰临公路防守。
沈家岭东侧是兰阿公路，狗娃山西侧是兰临公路。这两条公路，都是通往兰州市的咽喉要道。尤其是沈家岭，离西关和黄河铁桥最近，如沈家岭被突破，就能席卷全兰州。所以沈家岭自然也就成为防御中的重点。
沈家岭是沈家坪上一个形似馒头的高地。东侧坡度平缓，一直延伸到兰阿公路旁边，山坡上蔓生着灌木杂草；西侧是红色悬崖绝壁；北面是一片白泥土开阔地；南面有另一高地，两高地中间是一个马鞍形的洼地。
马继援侦查研究的结果，认为占领南面高地，对防守有利，所以五六九团的工事就构筑在南面高地上。
这个高地上有几户人家，村内有泉水树木，交通便利，进出方便，适于驻军。工兵们把沈家岭高地，筑成一个大圆形堡垒，设立了三道防线。在交通要道阵地前，除布雷外，设置了鹿砦、铁丝网等障碍物。在阵地上堆放了许多汽油桶里装有炸弹的“飞雷”。两高地之间，挖成一条长一百多米，宽二十多米，深十多米的堑壕。团指挥所设在高地后面的绝壁处。
东岗坡、五泉山、四墩坪一线，有抗日战争时期所设的永久性工事。但是，防守部队又在原有的钢筋水泥的国防工事的基础上，重新开辟了坚固工事，工事前沿的山坡，被削成上下三层峭壁，每层高约三丈左右，并在各要点上设置了火网据点。在防线的东西两端，设置了暗堡，构成了严密的交叉火力网。
马继援在率领各师长、旅长和参谋长，乘汽车在皋兰山视察时，得意洋洋地说道：“共军这次长途跋涉，兵力疲劳，加之后方运输线长，补给困难，而我们是以逸待劳，弹药粮秣充足，士气振奋，运输线也很短，这些都是我们的有利条件……兰州自古易守不易攻，这里是三面环山，峰岭高耸，犹如一道天然屏障，北面又有黄河天险，河面宽阔，加之山上还有修筑好的国防工事，我们又重新开辟了新的坚固工事，只要我们全军上下奋勇作战，是可以稳操胜券的。”
二四八师师长韩得胜说道：“我们在皋兰一线设备二道防线。第一团团长韩有福为第一线左翼防御部队，第二团团长谭成蛟，为本师一线右翼防御部队。师直属各部队为本师第二防线，在皋兰山制高点构筑工事，进行防御，迫击炮群，改在皋兰山下飞机场，炮兵观测所设在皋兰山顶高处地，以便进行俯瞰观测。共军若敢来攻，皋兰山处处都是他们的坟场哩！”
8月19日，解放军攻城部队进行火力搜索，并进行试探性攻击。
攻击部队在东岗坡首先接触，谭呈祥拼死把守。接着，皋兰山亦遭到强大炮火攻击，第一线阵地全被摧毁，二四八师的谭腾蛟团全部覆灭于战壕之内。继之，沈家岭附近的狗娃山又遭攻击，炮火密集，震撼大地，人的耳朵都失去了听觉。阵地上燃成了一片火海。
防御各部队，以为解放军主力开始攻击，乃使用成团成营的骑兵部队进行逆袭，近时使用大刀，远时用枪射击，解放军初时不习惯马家军如此凶狠战法，伤亡很大。
经过几次度交锋，解放军对马家军的阵地火力及惯用战法，已完全掌握，为了调整部署，研究打法，选择突破点，解放军休战数日，停止了攻击。
马继援以为解放军攻势受挫，一时得意洋洋，自吹自擂，说道：“我们青海军，不但善于运动战，也能够打胜阵地战，共产党这下可尝到我们的硬头了！”
解放军针对马家军惯常的打法，利用夜间近一步接近阵地，构筑工事，并把大量轻重武器隐蔽配备在准备攻击的阵地上。
8月20日前，解放军对兰州攻击已全部布置就绪。
此时，解放军十九兵团已进入兰州市东南山区，第二兵团进入兰州皋兰山及沈家岭、狗娃山一带。这几日，双方都在紧张地调动布置兵力，解放军的行动，可以通过望远镜看得清清楚楚。
20日晚十一点，解放军试探性的攻击在兰州东、南、西三面同时开始。
一时炮火齐鸣，犹如惊雷炸响，轰隆隆的炮声震撼大地，如山崩地裂一般。赤红的炮弹啸叫着掠过夜空，如密集的火流星倾泻在阵地上，阵地上被炸成一片火海，战火将夜空映照得通红透亮，宛如燃烧起了漫天大火。
攻击中，二四八师谭成蛟团及八十二军直属特务营阵地，已被炮弹摧毁。八十二军的炮火，也击中了解放军的阵地目标，一些工事也起火燃烧。
这晚，住在九间楼公署的马继援，被炮声所震惊，也是一夜未睡。
第二日凌晨，马继援即派参谋长马文鼎带着慰劳品到阵地视察情况。
这一天，各阵地发生了激烈的攻夺战，战斗异常惨烈，解放军凌厉的进攻受到地形的限制，马部守军的整个防线，未曾动摇。
冲入前沿阵地的解放军，与守军发生肉搏格斗，短兵相接，血肉横飞，几进几出，双方伤亡惨重。
21日凌晨，东方尚未破晓，解放军进攻的枪炮声，一刻紧追一刻。到下午四点，二四八师第一线谭腾蛟团及军属特务营部队的土防工事，被重炮及机枪摧毁，成了一片焦土。
韩得胜急令韩小侠调了一营兵力，在枪炮火力下，重新抢修了一条战壕，部队转入到这条再修的工事内。这时，前线的伤员也一批连一批地送了下来，战壕内到处是一片叫痛的呻吟声。
一九师阵地前，猛烈的攻防战更为惨烈，枪炮声不断，火光冲天，前去增援的马成俊团的四个骑兵大连，均被解放军消灭于战壕前。
中午时分，战事更为激烈，马继援和马元海率领着骑八旅的一团，前来二四八师防线增援。马元海向马继援指手画脚地说道：老八路诡计多端，千万不能粗心大意，要注意这一方，更要严密控制那一处！
就在这时，进攻的火力也渐渐消沉下去。经过这一次的打击，使马继援胆战心惊，再也不敢趾高气扬了。他表现出一副沮丧的神情，对韩得胜指示了些防范工作后，立即同马元海下山走了。
22日，马继援到皋兰山召集前线各指挥官，开现场军事会议，马继援说道：“解放军初战受挫，伤亡倍于我军。我方青保团团长郑万良中弹身亡，伤亡官兵上万数百十人，也是大损失。但解放军绝不会罢休，我们要有足够的重视，决不能掉以轻心。现在兰州外围的解放军，数量上暂时比我们占优势，只要我们坚持战斗，争取宁夏兵团能早日靠拢配合，陇宁两兵团就有六个军，加上马鸿宾的八十一军，周嘉彬的一二军，黄祖勋的九十一军，共九个军。目前解放军三个兵团也只有六个军，从整个战区看，我们在数量上又比解放军占优势。”
马继援分析了当时的战场情况后，又对在场的军官们说道：“这次长官去中央开会，和马鸿逵会晤面谈，这对宁夏兵团与我们靠拢，也是个促进。同时，还请中央军派飞机助战，必要时，骑五军也可以由新疆空运一部分参战。我们的胜利，是有足够把握的。”
会后，马继援视察了外围阵地，他用望远镜观察前方阵地时，对随同的观察人员指示道：“沈家岭和狗娃山东西有两条通往阿干镇和临洮的公路，是兰州西南的门户，敌人可能调整进攻方向，调集大量兵力和火炮，从这里实行突破，你们要小心防御。我们有一二九军的两个步兵师驻在小西湖及东教场，作为你们一九师的后盾，相信你们是可以完成防御任务的。”
马振武当即表态，说道：“请军长放心，我们的防御工事非常坚固，又有一二九军的坚强后援，共军想从这里突破，那是万万不能的！”
随后，马继援即驱车去长官公署向马步芳汇报。马步芳当即将兰州防御战况及解放军21日初战受挫的情况，通报马鸿逵，并催请从速靠拢兰州，加强兵力。很快，就得到宁夏方面的复电：“即准备出兵。”但是，在前方并无具体行动。马步芳再电马鸿逵出兵，并电请蒋介石督促马鸿逵，但均未见动静。
22日，防守洮河的韩起功新编骑兵军，在解放军猛烈的炮火下遣散逃跑，23日解放军进入临夏城区。马步芳闻讯后惊叹骇惧，即将西北行政长官公署一切事物，交由副长官刘任、马继援负责处理，自己偕同国民党青海省党部主任委员马绍武及兰州警备司令部稽查长陈显宗等一行返回西宁，部署防堵军事。
23日午后，宁夏方面仍无动静。马步芳、马继援父子二人在西宁、兰州互通电话，兰州一带警报频传，风声鹤唳。马步芳心急如焚，决定派长官公署秘书长马骥，于当日下午五点乘吉普车由兰起程，持马继援亲笔求援信件，连夜赶往宁夏，坐地求援。
24日，东岗坡、皋兰山一线，仍无战事，双方阵地上寂静无声，但前线的官兵都不敢休息，他们心里明白，这是大战即将开始之前的寂静，预示着一场恶战在即，更惨烈的激战还在后面。
24日晚十时许，马登霄团长由沈家岭阵地上打电话给李少白。马登霄说道：“今天晚上，原人们的阵地上忙乱得很，叮叮当当，响个不停，看样子明天拂晓就要大举进攻了。同时，各山头都发射出信号弹。”
李少白问明白信号弹的颜色后，对马登霄说道：“你等一会儿，我查一下这信号弹是什么意思。”
李少白急忙翻看缴获解放军的通讯联络油印小册子，对马登霄说道：“这是攻击准备完成的意思，今晚你们没有觉可睡了，准备枕戈待旦吧！”
马登霄说道：“那就只好如此了。”
马登霄没想到，正面解放军几天来利用夜晚，所挖掘的地道已接近前沿阵地的堑壕下，并且埋好了炸药，而守军没有丝毫察觉。所以，总攻一开始，就先炸开了阵地的一个大缺口，解放军从这个缺口，潮水般的涌进阵地。
这个出其不意的攻击，使马登霄措手不及，阵地上一片混乱，经过一阵反冲锋后，才稳定下来，双方形成尖锐对峙。后来，这个缺口在火力下也无法修补，竟成了一九师溃败的致命伤。
