Phòng tuyến của quân Nga tại phía nam Phụng Thiên dài 140 km (90 dặm), với chiều sâu không nhiều và lực lượng dự bị ở trung tâm. Ở phía cánh phải là Tập đoàn quân số 2 Mãn Châu do Đại tướng Nam tước von Kaulbars chỉ huy (thay thế tướng Oskar-Ferdinand Kazimirovich Grippenberg). Ở trung tâm, bảo vệ tuyến đường sắt và đường bộ là Tập đoàn quân số 3 Mãn Châu của tướng von Bilderling. Vùng đồi núi cánh phía đông được trấn giữ bởi Tập đoàn quân số 1 Mãn Châu của tướng Nikolai Linevich. Cánh này còn được yểm trợ bằng 2/3 lực lượng kỵ binh Nga, do tướng Paul von Rennenkampf chỉ huy. Tướng Kuropatkin đã bố trí quân lực theo một thế trận phòng thủ đơn thuần và do đó hầu như không thể thực hiện một cuộc phản công nếu không tạo một khoảng trống lớn trong phòng tuyến.

Về phía quân Nhật, Tập đoàn quân 1 của tướng Kuroki Tamemoto và Tập đoàn quân 4 của tướng Nozu Michitsura tiến về phía đông tuyến đường sắt, và Tập đoàn quân 2 của tướng Yasukata Oku tiến về phía tây. Tập đoàn quân số 3 của tướng Nogi Maresuke được bố trí phía sau tập đoàn quân số 2 cho đến khi trận đánh bắt đầu. Tập đoàn quân 5 mới vừa thành lập của tướng Kawamura Kageaki làm nhiệm vụ nghi binh cánh phía đông của quân Nga. Lực lượng của tập đoàn quân này là thiếu hụt nhiều nhất, chỉ có sư đoàn 11 (từ cảng Lữ Thuận) và quân dự bị.

Tướng Kuropatkin tin rằng cuộc tấn công của quân Nhật sẽ đến từ vùng đồi núi phía đông, nơi mà địa hình thuận lợi cho họ. Sự có mặt của sư đoàn 11 là những cựu binh của Tập đoàn quân số 3 càng củng cố lòng tin đó của ông. Trong khi đó, kế hoạch của Nguyên soái Ōyama là triển khai 5 tập đoàn quân của ông thành một hình lưỡi liềm bao vây Phụng Thiên, chặn đứng mọi đường rút lui của quân Nga. Mệnh lệnh dành cho ông là tránh một cuộc giao chiến bên trong thành phố Phụng Thiên. Trong suốt cuộc chiến tranh này, người Nhật đã theo đuổi một chính sách trong đó hạn chế tối đa thương vong dân thường và giữ cho người Trung Quốc đứng về phía họ - đây là một chính sách khác hẳn với Chiến tranh Thanh-Nhật trước đó và Chiến tranh Trung-Nhật sau này.