日军出动侦察机进行侦查的时候，日伪军各部迅速在不同区域集结，他们做好了攻击准备。
这次华北方面军司令部和驻蒙军司令部两级司令部联手制定了作战方案，日伪军部队会分三路展开行动。
第一路，由日军26师团组成，中将师团长后宫淳指挥独立步兵12联队，独立步兵13联队，独立山炮兵12联队，独立野炮兵26联队，搜索联队，工兵联队，辎重兵联队一万八千人兵力从五原城出发，从北侧对乌海城进行攻击，治安军第一团负责提供26师团保障工作。
第二路，由日军27师团组成，中将师团长本晴雅间指挥驻屯步兵第二联队，驻屯步兵第三联队，山炮兵27联队，搜索联队，工兵联队，辎重兵联队一万五千人兵力从乌审城出发，从南侧对乌海城进行攻击，治安军第二图案负责提供27师团保障工作。
第三路，由骑兵集团组成，中将指挥官內腾正一负责指挥骑兵第一旅团，骑兵第四旅团一万人兵力从九原出发，他们会渡过绥省境内的黄河，到达黄河西岸，直接迂回到乌海城西侧，配合日军主力夹击独立团。
日军参战兵力超过四万人，其中光是炮兵就有五个联队，火炮数量超过一百门，这次小鬼子是动真格