馬步芳回到蘭州後，就開始對蘭州會戰的作戰部署忙了起來。8月20日，馬步芳在「三愛堂」主持召開了西北軍政長官公署作戰會議，進一步研究蘭州會戰的作戰方針和作戰部署。「三愛堂」即西北軍政長官公署的辦公所在地。「三愛堂」這個地名還是原西北軍政長官張治中命名的。張治中解釋說：「三愛堂，即愛兵、愛民、愛友軍。我說的友軍，就是解放軍。」據說蔣介石知道後，十分生氣大罵了張治中一頓。但是不知為什麼，「三愛堂」這一地名卻一直延續了下來。
會議一直開到深夜，最後確定其作戰方針是：「以一部沿洮河、黃河的西岸守備，置主力於蘭州附近。如敵來犯，憑天然地障與既設陣地頓挫敵攻勢後，適時轉移攻勢，依西安綏署之協力，一舉殲滅犯敵。」（《解放戰爭中的西北戰場》（原國民黨將領的回憶））
根據這一作戰方針，馬步芳對蘭州會戰作了具體的部署：
——以隴東兵團主力之第82、第129軍及2個騎兵旅、1個榴彈炮營等部，共約5萬人據守城區，其中以第82軍的3個師分守蘭州門戶馬架山、營盤山、沈家嶺；
——以隴南兵團之第91、第120軍和馬鴻逵部第81軍，共約3萬人，配置在蘭州東北的靖遠、景泰及打拉池地區，以保障蘭州之左翼安全，並相機側擊進攻蘭州的共軍；
——以新組建的韓起功之騎兵軍約2萬人，以臨夏為基地，控制臨洮、洮沙地區，以保障鞏固蘭州的右翼安全，並把守青海的大門。
會議以後，馬繼援和馬步鑾、譚呈祥、韓有祿、馬振武及以馬文鼎為首的作戰參謀人員組成了陣地勘察小組，一同乘車循環山公路到皋蘭山中央的營盤嶺，對東面的主要陣地豆家山、古城嶺、馬架山、西蘭公路以北的十里山，西邊的沈家嶺、狗娃山都察看了一遍。