Bắc Hà lúc đó như một bàn cờ lớn, với phía Bắc là quân Thanh và quân nhà Lê, còn phía Nam là quân Tây Sơn. Quân Thanh và quân Lê bố trí thành một vòng tròn xung quanh kinh thành Thăng Long. Trên tuyến đường thiên lý dẫn về kinh đô, quân Thanh-Lê lập ba đồn trọng yếu là đồn Gián Khẩu, đồn Hà Hồi và đồn Ngọc Hồi. Ngoài ra, ở các hướng ngoại vi thứ yếu cũng có đặt đồn trại. Trên hướng Tây Nam kinh thành, có các đồn Khương Thượng, Nam Đồng; ở phía tây có đồn Yên Quyết; ở phía Bắc, lực lượng quân Thanh trú đóng dọc theo bờ Bắc sông Hồng. Đại bản doanh của Tôn Sĩ Nghị ở cung Tây Long nằm ven phía Nam sông Hồng. Một chiếc cầu phao được bắc ngang qua sông để dễ bề liên lạc.
Hoàng đế Quang Trung quyết định một mẻ tóm gọn lực lượng quân Thanh. Muốn như vậy thì phải tung ra một kế hoạch hợp vây quy mô lớn. Ông chia quân của mình ra thành năm ngả như thể một bàn tay mở ra rồi nắm chặt lại.
Tiền quân do Ngô Văn Sở và Phan Văn Lân chỉ huy sẽ đánh dọc theo đường thiên lý tiến về kinh thành. Nhiệm vụ của họ là đánh quân chủ lực nhà Thanh và thu hút địch về phía Nam.
Hữu quân do Đại đô đốc Bảo và Đô đốc Mưu chỉ huy, có lực lượng tượng binh và kỵ binh phối thuộc. Tuy là Hữu quân nhưng hướng tiến công của họ lại là cánh trái. Lợi dụng một con đường cổ từ Thanh Hóa dẫn ra Bắc, cánh quân này đóng vai trò kì binh hết sức quan trọng. Đại đô đốc Bảo dẫn theo quân lính và voi chiến từ Sơn Minh kéo ra Đại Áng, giúp quân Tiên phong đánh tạt sườn quân Thanh trên hướng chính. Đô đốc Mưu dẫn quân từ Chương Đức vọt tới Nhân Mục, đánh vào hướng Đống Đa. Nếu đọc Tam quốc diễn nghĩa, mọi người sẽ thấy đây là một mưu mẹo phổ biến: dụ địch rời thành, rồi cho quân đánh úp. Nhưng hoàng đế Quang Trung đã thực hiện nó với quy mô cực lớn, ở cấp chiến dịch.
Tả quân do Đại đô đốc Lộc và Đô đốc Tuyết chỉ huy. Đây là cánh quân thủy. Từ đường biển, họ sẽ kéo vào sông Lục Đầu. Đô đốc Tuyết sẽ bình định vùng Hải Dương. Chỗ này vốn là vùng đất quân Cần vương nhà Lê hoạt động mạnh. Còn Đại đô đốc Lộc sẽ vọt nhanh tới các huyện Yên Thế, Phượng Nhãn của trấn Kinh Bắc, để cắt đường lui của quân Thanh.
Hậu quân do Hô Hổ hầu chỉ huy, làm lực lượng dự trữ chiến lược.
Theo lời các giáo sĩ, quân Tây Sơn đã hoạt động dọc sông Đáy ngay từ hạ tuần tháng Chạp. Họ tấn công một đồn nhà Lê ở Kẻ Vĩnh. Đinh Nhạ Hành – người hăng hái kêu gọi đánh Tây Sơn nhất bên phía nhà Lê – vẫn còn đậu binh thuyền ở Nam Xang cách đó 40km về phía Bắc, chứ không có mặt ở trấn doanh Sơn Nam.