就在馬步芳忙著蘭州會戰的作戰部署的時候，彭德懷也沒閑著。在一野司令部指揮所的作戰地圖上，進攻的箭頭一致指向蘭州。
作戰案前，彭德懷正深入透徹地分析著敵人的心理狀態及其可能的行動：平涼計畫流產以後，擺在二馬面前有三條路：一降，二逃，三戰。
由於寧馬（寧夏馬鴻逵）一直施行保存實力的政策，對我作戰信心不大，因而企圖使用緩兵之計，玩弄和平陰謀，施放投降空氣，幻想延長其覆沒命運，以保持其統治地位。而青馬（青海馬步芳）則不同於寧馬，總是自以為不可戰勝，眼光狹隘，行動猖獗，對胡宗南部慘敗和國民黨已臨末日以及對我軍即將取得全國勝利的形勢認識不足，因而決心反動到底。
當然，二馬雖有不同，但均無真投降之意，必須給予殲滅性的打擊，才可以談到用和平改編的方式。第二條路是逃。逃到何處？新疆太遠，困難太大，打不垮也要拖垮；逃往甘南、四川與胡宗南會合，則將失去西北統治老巢，必被胡所吞併；唯有逃往青海。第三條路是戰。但在何處戰？怎樣戰？平涼本是決戰之地，但時機已失；華家嶺、車道嶺工事不好；蘭州之外又只有烏峭嶺和享堂二地可作戰，卻又對其不利；故唯有蘭州才是一個很好的戰場，可與我一戰。
對青、寧二馬先打哪個？還是一起來打？其中又有文章：二馬退守蘭州、銀川，處境雖已孤立，但仍有一定實力。我若同時進攻二馬，則兵力分散難以聚殲；如果先奪寧夏，又會給青馬造成動員甘肅、青海、新疆三省的敵人部署新的防線之機會，延誤解放整個大西北的時間，甚至可能使敵人從臨洮逃回西寧，造成我軍而後作戰之嚴重困難，此策顯然不甚可取。二馬之間，歷來矛盾較深，且青馬實力較強，以西北霸主自居，力圖吞併寧馬。我若先殲青馬，寧馬未必會援。
也正因如此，早在1949年7月6日，即扶郿戰役之前，毛澤東在《解決西北敵軍的方針》的指示中，就曾指出對青、寧二馬應予區別對待：首先打擊馬步芳。而馬鴻逵是傅作義將軍的拜把兄弟，曾派人向傅作義將軍表示有向我求和之意。所以，毛澤東設想，在殲滅馬步芳後，對馬鴻逵可在軍事打擊下盡量爭取用政治方式加以解決。同時，鑒於青馬在政治上占統治地位，在軍事上也比寧馬強大，殲滅了青馬，即可基本上解決西北問題。因此，彭德懷決定首先集中力量徹底殲滅青馬反動勢力。
關於青馬的動向，彭德懷也進一步對之作了清醒的判斷：青馬動向有兩種可能。如退守青海，將造成我進軍作戰之嚴重困難，勢必延長西北全部解放的時間，對我不利。因為青海是其老巢，有一定的社會基礎，又可利用歷史上形成的某些民族偏見。而且，青海地形三面環山，易守難攻，當地人煙稀少，糧秣缺乏，不利於我大兵團作戰，對其可謂「上策」；而蘭州則是甘肅、寧夏、青海、新疆四省之樞紐，對我軍來說，雖然攻打蘭州是一場艱巨的攻堅戰，但作戰條件遠比青海有利，對青馬為「下策」。但是青馬自恃是西北軍政長官，甘、寧、青反動軍隊的統帥，更加上蘭州地理位置重要，系兵家必爭之地，又有堅固的防禦陣地，必然採取困守蘭州的錯誤之「下策」。
因此，彭德懷根據毛澤東的指示，決定我軍的作戰方針是力爭同青馬決戰於蘭州，嚴防敵人逃回青海。同時，又針對兩種可能做了兩手準備。在將作戰計畫報毛澤東批准後，8月4日午時，彭德懷、張宗遜、閻揆要向各兵團下達了進軍蘭州、西寧，殲滅青馬的預備命令：「擬以一部鉗制寧馬匪軍，集中絕對優勢兵力，首先殲滅青甘兩匪軍，並準備殲擊新（疆）省可能回援之匪軍。」
接著作了具體的作戰部署：
——第1兵團（欠第7軍）附第62軍為左兵團，取武山、隴西、渭源、臨洮，得手後渡洮河經臨夏直取西寧，截斷青馬退路。第7軍主力控制天水，與第18兵團打通天水至寶雞鐵路，一部控制隴西，保護左兵團交通運輸。
——第2兵團為中路，由蓮花鎮經通渭、馬營、通安驛、內官鎮、新營鎮、馬蓮灘、洮沙，向蘭州城南、城西攻擊前進，準備於主力於蘭州上游渡河後，沿西寧至蘭州公路東進，包圍蘭州守敵。如守敵先退西寧或北竄，該兵團應即西進，協同第1兵團進攻西寧，或尾敵北追。
——第19兵團（欠第64軍）為右路，第65軍由隆德經靜寧沿西蘭公路、第63軍由固原經興隆鎮、會寧、定西，向蘭州城東攻擊前進。第64軍控制固原及其以北，對寧夏馬鴻逵部組織積極防禦。
——第18兵團（欠第62軍）任務不變，仍在西安、天水一線，沿川陝公路前進，鉗制胡宗南殘部。
彭德懷要求各兵團於8月9日前完成進攻蘭州、西寧的一切作戰準備。
8月10日前後，第一野戰軍各兵團緊接著隴東追擊戰，不顧酷暑灼熱，戰勝狂風暴雨，冰雹洪水，分左中右三路向西進軍。途中，部隊紀律嚴明，秋毫無犯，隨時利用空隙做群眾工作。沿途群眾積極熱情支援解放軍。各部隊互相鼓勵：「英雄好漢，蘭州再見。」第2兵團和第19兵團於19至20日順利進抵蘭州城郊，從東、西、南三面包圍了蘭州。