牛心堆在曼头山东南，居湟水和黄河中间位置，距曼头城近两百里，因附近一条河流名牛心川而得名。
从牛心堆到曼头山之间，地势平坦，但牛心堆面对鄯州方向有高大的拉脊山耸立着，为吐谷浑军队抵御唐~军攻击的一道天然屏障。
吐谷浑军队在此筑有军营，在拉脊山各险要山口地段派驻不少的士兵据守，并修筑有城堡箭跺等防御工事。
吐谷浑军队估计，唐~军会沿着湟水先攻击库山，或者越过拉脊山向牛心堆一线进攻；
因此慕容伏允在这两地集结大量精锐军队驻守。
牛心堆因从地理位置上更接近鄯州，兵力配置也是很多，有三万多吐谷浑大军聚集在此。
出乎吐谷浑军队意外的是，唐~军前锋快速攻占了库山，面对放火烧毁牧草的举动，没有停留，反而快速南下，以精锐的骑兵击溃曼头山的守军，并迅速占领；唐~军主力部队也是随后跟进抵达，抄了牛心堆吐谷浑军队后路。
牛心堆以南，是水流湍急的黄河；
东北面是高大雄伟的拉脊山；
唐~军的快速攻击，截断了牛心堆吐谷浑军队西逃退路，也截断了他们的粮草供应之路。
在薜仁贵所率骑兵攻占曼头山后不久，薛万彻和薛万均兄弟即率部抵达这里；
傍晚时分，李靖率领余部也抵达了。
为了不让牛心堆之吐谷浑军队西逃，李靖所部、神策军大部都是轻装急行军而来。
如今马匹多了，神策军火枪兵及步兵为了跟上骑兵，把大部分四轮马车的马都挪了出来，全用马驮载中小炮；
120毫米三米攻城长~炮，则继续用马拉着，位于后军随后跟进；
还把长枪兵和盾牌兵也置于后军中；
只有火~枪兵和轻炮兵随李靖所部中军行军。
在结束曼头山战役后，李治命令所部抓紧休整，为接下来聚歼牛心堆之敌做准备。
神策军骑兵及契苾何力部，经高强度急行军及冲杀，已没体力追击逃跑的慕容伏允；
李治只得放弃追踪其部的诱人想法，南面和西面有段志玄和李大亮部的拦截，量他慕容伏允残部，也不是辣么容易逃脱掉了的。