Phía quân đội Pháp ở mặt trận Ninh Bình, theo Martin Windrow, gồm 7 Binh đoàn cơ động (GM), một số xe bọc thép half-track và xe tăng Chaffee, tổng binh lực vào khoảng 21.000–24.500 quân.[1] Còn theo phía Việt Nam, số quân Pháp gồm 19 Tiểu đoàn bộ binh, hơn 10 Tiểu đoàn hỏa lực mạnh và lực lượng dù thuộc 6 Binh đoàn cơ động, được tổ chức thành 2 Sư đoàn nhẹ lâm thời A, B và cánh quân C, không rõ số lính cụ thể. Còn hướng phối hợp ở Thanh Hóa có 500 lính.[9]

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,[9] 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.[10]