Phía quân đội Việt Nam, ở Liên khu 4 có Đại đoàn 320, Đại đoàn 304 và một Trung đoàn thuộc Đại đoàn 316. Tuy nhiên, ở mặt trận Ninh Bình chỉ có Đại đoàn 320 tham chiến, lực lượng bao gồm:
 Trung đoàn 64, đóng ở Kỳ Lao, Quan Thạch, có nhiệm vụ đón đánh quân Pháp trên đường 59 (ngã ba Rịa và đường từ Rịa đi Phú Cát).
 Trung đoàn 52, đóng ở Châu Sơn, (thị trấn) Nho Quan, Yên Nông, có nhiệm vụ đón đánh quân Pháp trên đường 12.
 Trung đoàn 47, đóng ở Phố Cát (Thạch Thành, Thanh Hóa) làm lực lượng cơ động.
Các đơn vị bộ đội địa phương được bổ sung quân số, chuẩn bị sẵn khí tài trang bị, hỗ trợ quân chủ lực trên đường 59 và đường 12. Lực lượng dân quân du kích bố trí các cạm bẫy, điểm phục kích ở các tuyến đường mà quân Pháp có thể đi qua. Các kho bãi được tổ chức di dời.