Ngay từ tháng 11 năm 1950, Bộ Tổng Tư lệnh Quân đội Nhân dân Việt Nam quyết định mở Chiến dịch Trần Hưng Đạo với mục đích tấn công và phá vỡ phòng tuyến trung du từ Việt Trì tới Bắc Giang, đánh bật quân Pháp ra khỏi các vị trí trên phòng tuyến trung du Bắc Bộ. Trong kế hoạch chiến dịch, thị xã Vĩnh Yên là vị trí một đỉnh của tam giác phòng thủ của quân Pháp ở miền châu thổ, nằm cách Hà Nội khoảng 50 kilômét về phía tây bắc, một cứ điểm quan trọng quyết định sự vững chắc của phòng tuyến.

Ngày 30 tháng 11 năm 1950, Đảng ủy Chiến dịch Trần Hưng Đạo được thành lập, gồm có Đại tướng Tổng tư lệnh Võ Nguyên Giáp làm Bí thư Đảng ủy kiêm Chỉ huy trưởng Chiến dịch, hai Ủy viên Trung ương là Nguyễn Chí Thanh và Chu Văn Tấn, Phó chủ nhiệm Tổng cục Chính trị Trần Hữu Dực, Phó Tổng Tham mưu trưởng Đào Văn Trường. Lực lượng huy động tham gia chiến dịch gồm: Đại đoàn 308 (với 3 trung đoàn 102, 88 và 36), 2 trung đoàn 209 và 141 (được tập hợp để thành lập Đại đoàn 312), hai trung đoàn độc lập của Bộ Tổng chỉ huy là trung đoàn 98 và trung đoàn 174, 4 tiểu đoàn bộ đội địa phương và 4 đại đội pháo binh 75 ly. Tổng cộng là 27.638 chiến sĩ. Ngoài ra, số dân công thường trực là 27.658 người, số dân công huy động từng đợt là 272.259 người.

Dựa vào các tin tình báo thu thập được, phán đoán tướng Giáp sẽ có cuộc tiến công lớn ở trung du, tướng Boyer de Latour, Tư lệnh Chiến trường Bắc Kỳ, đã cho tăng cường cho máy bay trinh sát và mở các cuộc hành quân càn quét vào các vùng nghi ngờ có lực lượng chủ lực của đối phương. Ngày 25 tháng 12 năm 1950, De la Tour cho mở cuộc hành quân Bécassine vào khu vực Lập Thạch và Tam Dương (Vĩnh Yên, Phú Thọ) bằng lực lượng của Binh đoàn cơ động số 3 (Groupement Mobile 3 - GM3) cùng với tiểu đoàn Mường, do Trung tá Muller chỉ huy. Đây lại chính là khu vực mà các lực lượng của Đại đoàn 312 QĐNDVN, do Lê Trọng Tấn làm Đại đoàn trưởng, đang tập kết. Được sự đồng ý của Bộ chỉ huy chiến dịch, Đại đoàn 312 nổ súng tấn công. Trong vòng 5 ngày, Đại đoàn 312 đã đánh thiệt hại nặng GM3 và các tiểu đoàn ứng cứu, bứt rút hàng loạt các vị trí của quân Pháp. Các đơn vị còn lại của GM3 buộc phải lui về Vĩnh Yên cố thủ. Ngày 30 tháng 12 năm 1950, tướng Giáp chủ động cho kết thúc đợt tiến công.

Bấy giờ, phòng thủ Vĩnh Yên là lực lượng của GM3, sau khi bị thiệt hại 1 tiểu đoàn trong cuộc hành quân Bécassine, đã rút về phòng thủ bên trong thị xã. Ngoài ra còn có các đơn vị khác như tiểu đoàn thuộc địa, tiểu đoàn Mường và một số đơn vị Quân đội Quốc gia Việt Nam của chính quyền Bảo Đại cùng rút về hoặc đang đồn trú tại thị xã.

Dựa vào tin tình báo về phối trí của quân Pháp tại Vĩnh Yên, kế hoạch của tướng Giáp là đánh cắt đôi vào giữa hai lực lượng này, xuyên phá đội hình của GM3, qua Vĩnh Yên, quá xuống Sơn Tây, sông Đà và sông Hồng, tiến xuống Hà Nội theo đường đê. Từ cuối tháng 12 năm 1950, Đại đoàn 308 vừa hành quân từ Việt Bắc về bố trí dọc theo cánh cung Tam Đảo, phối hợp cùng Đại đoàn 312 bao vây thị xã Vĩnh Yên. Thế trận bao vây tiêu diệt đã hình thành.

Về phía Pháp, bộ phận tình báo do đại tá Boussary đứng đầu, đã phân tích cho rằng quân chủ lực của tướng Giáp sử dụng Bắc Sơn làm căn cứ hậu phương và Đông Triều làm căn cứ tiền phương, từ đó dự đoán tướng Giáp sẽ tấn công từ Đông Triều vào Hải Phòng để cắt đứt nguồn cung cấp của quân Pháp tại đây. Căn cứ vào những phân tích này, tướng De Lattre đã cho xây dựng kế hoạch "Trapèze" (Hình thang), dự tính sẽ tập kích bất ngờ vào các căn cứ hậu cần của tướng Giáp được cho là đang đóng khu vực Bắc Sơn - Thái Nguyên vào ngày 14 tháng 1, từ đó buộc lực lượng chính quy của QĐNDVN phải rút khỏi các vị trí có thể uy hiếp Hà Nội, tập kết về dọc biên giới Trung Quốc hoặc dọc theo đường số 4. Theo kế hoạch của bộ tham mưu của tướng Da Lattre, do đại tá Beaufré đứng đầu, xây dựng vào ngày 10 tháng 1 năm 1951, 5 tiểu đoàn dù sẽ đổ bộ xuống Bắc Sơn, truy tìm và triệt hạ các kho tàng cũng như các đơn vị của tướng Giáp đang trú đóng tại đây. Để tăng cường lực lượng hỗ trợ, 3 binh đoàn cơ động do các trung tá Edon (chỉ huy GM1), Erulin (chỉ huy GM2) và De Castries (chỉ huy GM Tabor) được lệnh sẵn sàng di chuyển về Bắc Sơn để tiếp ứng.

Đồng thời, để đề phòng Vĩnh Yên chỉ là nghi binh để mở cuộc tiến công từ Tam Đảo về Hà Nội, De Lattre ra lệnh tập trung một lực lượng bộ binh quan trọng và xe tăng do chính Beaufré chỉ huy, án ngữ tại mạn Bắc thành phố về phía cầu sông Đuống.