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兰州位于四周环山的狭长的盆地上，黄河自西向东贯穿，兰州地处南岸，城西有一座刚造的铁桥联系北岸，此桥是当时数千离黄河唯一的桥梁，故军事价值很大。若控制兰州，兰州的南山是必守的阵地。南山自东向西依次为十里山，古城岭，窦家山，马架山，营盘岭（皋兰山南梁），沈家岭，狗娃山。其中沈家岭离铁桥最近，又与狗娃山一起扼守着两条南去的公路，被认为是“兰州锁钥”。十里山，古城岭、马架山，营盘岭还有左宗棠进新疆前修的部分野战工事的残迹。
虽然青马军官自己也认为兰州因为山势陡峭而易守难攻，但事情不那么简单。从宏观上讲，南山诸山从东到西是一字排开，但除了东部的十里山是对外呈横“一“字外，其余上面提到的诸山都是南北长、东西短的椭圆形山梁，而守住这些山梁，必须在上面构筑椭圆的环形阵地，不但战线数倍放大，而且一开打，前、左、右都可受到攻击。客观的说，兰州既不好攻，也不好守。
等青马到位十来天后，远道而来的国防军也进逼兰州城外。双方的布阵是，青马方面：青马骑兵第四团、步兵第三团加青海保安一团守东冈十里山，古城岭，窦家山，马架山，其中青海保安一团守窦家山。骑一团主力守营盘岭（皋兰山南梁）。步三团主力守沈家岭，狗娃山，其中步三团一个营守沈家岭，另外二个营守狗娃山。骑兵第二团和真神军的一千多枪手守小西胡。小西胡在狗娃山西侧后，起掩护作用。马步芳带着骑兵第三团作为机动兵力放在黄河铁桥附近的村子里，剩下的几个骑兵独立营和真神军的三千多冷兵器部队放在了兰州南城。
从双方后来的资料对东部青马步兵第一团防守面的叙述不一致，国防军方面的布阵图标记着青马的第一步兵团守东冈十里山，但青马军官后来回顾，第一团的一个营开战前调离了兰州，另一个营布置在城区，而且这个第一团其实是来自青海的回人士兵，缺乏热*兵器训练，战斗力弱，因此估计不会让其守东冈十里山这样重要的阵地，故采信青马说法。但青马回顾资料未谈及青海保安一团，此点采信国防军方面说法。
国防军方面：步兵第5师攻窦家山、十里山、大汉教导师攻古城岭，马架山，盛唐教导师攻营盘岭，另有奉军27师一个团佯攻沈家岭，狗娃山。独立骑兵11师牵制小西胡敌人并做总预备队。基本上，除了奉军的佯攻之外，国防军是以一个军攻青马一个师。
大汉教导师师长郑维山本来就是甘肃天水人。郑当年是甘肃闹饥荒的时候抢大户的带头人，大多数苦哈哈们都死在了马家军的马刀下，他是靠着一段房梁只身渡过黄河才逃了一条性命。因为他组织能力比起其他泥腿子强的多，毕竟是挑过头闹革命的人，所以在新军中崛起的非常迅速，经过枣林军校的深造，在剿匪和东北战争中，杜子成觉得他关键时候能顶事，有韩信风范，这位瘦小瘦小的西北汉子在五年内成为了一名高级指挥员。
青马主力8月中旬初就赶回了兰州，抓紧构筑完善工事，国防军8月18日接锺而至（与青马后卫第二步兵团保持两天路程），只准备了一天就开始攻击。8月20日双方开打。
事后，国防军说20、21日的攻击是“试攻”。其实如果攻下了，也就不说“试攻”了。吴宸轩也觉得杜子成他们创造性的“试攻”大概是进攻失败后的托词。
实际上两个教导师只攻了一天就叫停了，大汉教导师首次与青马接仗，头天攻不动，不服气，第二天接着来，还是攻不动，于是郑维山哀叹：我们国防军部队历史上从来没有攻两天一个阵地也拿不下来的时候。实际上兰州战役前，杜子成同学安排远道而来的两个教导师先不参战，只警戒和牵制马家军，报到济南也得到了总参的赞同，却急得吴宸轩连连发电，让杜子成把青马作战特点“务必告之郑、杨等，他们对打马是没经验的”。从大汉师“试攻”两天的战绩看，吴宸轩多来几封电报真是不冤枉他。
“试攻”阶段，国防军全线伤亡200人，硬是没拿下一个青马阵地。