Đoạn sông Như Nguyệt mà Lý Thường Kiệt chọn lựa xây dựng phòng tuyến có vị trí mang tính chiến lược: có núi ở cả hai bên bờ[16], đoạn sông có chiều dài khá rộng lên hơn 100 mét[17], vắt ngang con đường dễ dàng nhất để vượt qua sông Cầu[18], con sông chặn mọi đường trên bộ có thể dùng để tiến quân vào Thăng Long[18]. Trên khúc này có khoảng 11 bến đò ngang: Như Nguyệt, Tiểu Lâm, Dũng Liệt, Phù Yên, Đẩu Hàn, Phù Cầm, Lượng Sài, Đáp Cầu, Yên Ngô, Bằng Lâm, Phả Lại[18]. Hai bến có tuổi đời lâu và quan trọng nhất là Như Nguyệt và Thị Cầu (hay Đáp Cầu về sau) nằm trên đường giao thông quan trọng tiến vào Thăng Long và là con đường thuận lợi nhất để quân Tống vượt qua sông và tiến về Thăng Long. Vì địa thế quan trọng này, Lý Thường Kiệt quyết định lập một phòng tuyến tại đây nhằm đánh một trận chiến lược[19]

Khu vực phòng thủ mà Lý Thường Kiệt xây dựng chạy dài từ chân núi Tam Đảo (khoảng Đa Phúc) với nhiều chỗ núi ăn sát bờ sông hoặc rừng cây có mật độ dày đặc. Địa hình này có thể được lợi dụng để ngăn việc vượt sông dễ dàng, tạo điều kiện cho quân nhà Lý không cần phải xây dựng một chiến tuyến dài hết nam sông Như Nguyệt mà chỉ cần xây ở các khu vực đường giao thông, quan trọng nhất là đoạn Như Nguyệt, Thị Cầu và Vạn Xuân.[20]

Chiến lũy của phòng tuyến được xây dựng bằng đất có đóng cọc tre dày mấy tầng làm dậu[21]. Dưới bãi sông được bố trí các hố chông ngầm tạo thành một phòng tuyến rất vững chắc. Quân của nhà Lý đóng thành từng trại trên suốt chiến tuyến, mà quan trọng nhất là ba trại ở Như Nguyệt, Thị Cầu, Phấn Động[22]. Mỗi trại binh có thể có thêm thủy binh phối hợp. Quân chủ lực do chính Lý Thường Kiệt chỉ huy đóng ở phủ Thiên Đức[23], một vị trí có thể cơ động chi viện nhiều hướng và khống chế mọi ngả đường tiến về Thăng Long. Quân Tống cũng đóng dọc theo hai bờ sông, tập trung ở các vị trí quan trọng: phó tướng Triệu Tiết đóng tại khu vực mà ngày nay là thôn Mai Thượng, xã Mai Đình, Hiệp Hòa, tỉnh Bắc Giang khoảng đối diện bến Như Nguyệt[24]; quân chủ lực do Quách Quỳ chỉ huy đóng tại phía đông cách Triệu Tiết chừng 30 km khoảng đối diện với Thị Cầu[24]. Một bộ phận khác đóng tại các vị trí cần thiết, các ngọn núi quan trọng như núi Phượng Hoàng và núi Tiên, phòng trường hợp bị quân nhà Lý tiến công hoặc có thể tổ chức vượt sông nếu hoàn cảnh cho phép.[24]