Từ sau trận Hà Nội thất thủ lần thứ 2, quân nhà Nguyễn đã thiết lập một vòng vây quanh Hà Nội từ 2 hướng Tây và Đông Bắc. Tại phía Tây, cánh quân của Hoàng Kế Viêm và Lưu Vĩnh Phúc đã xây dựng một phòng tuyến nằm hai bên con đường Hà Nội-Sơn Tây (nay là Quốc lộ 32), trong các làng nằm giữa hai sông Tô Lịch, sông Nhuệ và dọc theo hai bờ sông Nhuệ các làng này đều thuộc huyện Từ Liêm phủ Hoài Đức tỉnh Hà Nội lúc đó (trước huyện Từ Liêm thuộc phủ Quốc Oai trấn Sơn Tây, ngày nay là quận Bắc Từ Liêm và quận Nam Từ Liêm). Từ đó quân Cờ Đen và quân nhà Nguyễn đã từng giành được thắng lợi trước quân Pháp trong trận Cầu Giấy lần thứ 2. Phòng tuyến của quân Nam từ sau trận Cầu Giấy gồm 3 lớp:

• Lớp thứ nhất chạy từ Cầu Giấy qua các làng dọc theo sông Tô Lịch tới làng Yên Thái rồi thẳng lên các làng Vẽ và Chèm (Đông Ngạc và Thụy Phương thuộc quận Bắc Từ Liêm ngày nay).
• Lớp thứ hai từ lỵ sở của phủ Hoài Đức (nay là ngã tư đường Cầu Giấy giao với đường Nguyễn Phong Sắc) qua làng Cổ Nhuế (còn gọi là làng Noi hay kẻ Noi) lên làng Hoàng Xá (nay là thôn Hoàng Liên xã Liên Mạc, quận Bắc Từ Liêm) nối lên đình làng Chèm (đình thờ Lý Ông Trọng), đây là tuyến trung tâm mà quân Nam bố trí nhiều đại bác và đồn bốt kiên cố.
• Lớp thứ 3 trên các làng phía hữu ngạn sông Nhuệ như Kiều Mai, Phú Diễn,... (ngày nay thuộc quận Nam Từ Liêm) dùng sông Nhuệ làm phòng tuyến tự nhiên.

Lực lượng phòng ngự ở phòng tuyến này gồm toàn bộ quân Cờ Đen của Lưu Vĩnh Phúc và quân nhà Nguyễn của Hoàng Kế Viêm. Hoàng Kế Viêm lúc này vẫn đóng tại khu vực thành Sơn Tây. Quân Cờ đen có khoảng 3000 người, dù lực lượng này ít hơn quân Pháp, nhưng họ có lợi thế phòng ngự, dựa vào các tuyến phòng thủ được chuẩn bị từ trước.