牛心堆在曼头山东南方向，湟水和黄河中间的位置，距曼头城近两百里，因附近一条河流名牛心川而得名。
从牛心堆到曼头山间，地势还算平坦，但牛心堆面对鄯州方向，有高大的拉脊山耸立着，此是吐谷浑人抵御唐军攻击的一道天然屏障，吐谷浑人在此筑有军营，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。
以吐谷浑人的估计，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了大量精锐的军队驻守。
牛心堆因从地理位置上更接近鄯州，兵力配置也是很多，三万多人的吐谷浑大军聚集在这一带。
出乎吐谷浑人的意外，唐军用极快的速度攻占库山，面对放火烧毁牧草的举动，没有停留，即快速南下，以精锐的骑兵击溃曼头山的守军，并迅速占领，唐军的主力部队也是随后跟进抵达，抄了牛心堆吐谷浑人的后路。
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人向西逃的退路。
在李业诩所部攻占曼头山后不久，薛万彻和薛万均兄弟即率部抵达这里，傍晚时分，李靖率领其余各部也抵达曼头山。
为了不让牛心堆之吐谷浑人西逃，李靖所部都是轻装急行军而来。
在结束曼头山战役后，李业诩命令所部抓紧时间休整，为接下来的聚歼牛心堆之敌做准备。
特卫及契苾何力部，高强度的急行军及冲杀下来，已经没有体力继续追击逃跑的慕容伏允，李业诩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，慕容伏允的残部也是没这么容易逃脱的。
牛心堆的吐谷浑人探知唐军攻击曼头山后，马上倾巢出动，想趁唐军立足未稳之时，集中优势兵力消灭疲乏的唐军，并趁机西逃。库山和曼头山两地的惨败，已经让知道消息的牛心堆吐谷浑人心惊胆战，指挥的几名名王明白，若他们无法趁这个机会逃跑，下场会和库山曼头山的族人一样悲惨。
只是吐谷浑人得到的情报还是慢了好几拍，其大部队还未行进到一半路程，李靖所率的大军也已经抵达这一带，等着吐谷浑人。
从牛心堆出发的吐谷浑人在侦知唐军的行踪后，马上停下了行进的脚步，不知是否是吐谷浑人怕中了唐军伏击，率部回缩，背倚着几处山坡前停了下来。
李靖所部快速推进，在离吐谷浑人三十里地左右停
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