第一次伯力之战后，忽必烈砍了一众败将的头，又重新派了一名达鲁花赤来，并给了他征调方圆一千里士兵的权利。只不过鲜卑利亚这个苦寒之地并非蒙军的战略方向，各个生女真部族也是人相稀少，故经过半年时间的准备，新来的达鲁花赤也只拼凑出了四千人军队，其中蒙古骑兵一千五百人，各部族仆从军二千人，赎罪军五百人。所谓赎罪军，乃是忽必烈的开平政权流放在此的罪犯组成的军队，主要是追随阿里不哥的蒙古贵族，此外还有触犯了蒙古法律的契丹人、金人、汉人、色目人、高丽人。至于粮草辎重的运输，则由五千生女真壮丁负责。为了防止他们逃跑，蒙古人将他们的妻儿老小都关了起来。
蒙古人吸取上一次失败的教训，将进攻时间选在了隆冬时节。虽然气温天寒地冻，但对于长年生活在苦寒高原蒙古人来说，并不是太大的问题。对生女真人来说，在冰天雪地活动本就是他们最基本的技能。为了对付严寒，达鲁花赤还征调了大量的兽皮，不仅将手下的士兵裹得严严实实，还派发给了随行的生女真民夫。当蒙古军队到达伯力堡时，近万人被冻伤的不过几十人，实在是奇迹。话说能将战争准备工作做得如此周密，既表明蒙古人对此战的重视，也体现新来的达鲁花赤绝非等闲之辈。
北方公司当然知道蒙军惨败之后，必然不会善罢甘休，故在第一次伯力之战后继续加固堡垒。主要是拓宽堡垒前的壕沟，加高木栅栏，在堡垒前形成了三层壕沟和三层栅栏。这些壕沟宽四米高三米，为了防止冬季结冰，这些壕沟并没有灌水，而是在底部埋设了密密麻麻的尖木桩。这些尖桩虽然结构简单，杀伤力却不小，刚建好时便有野猪慌不择路掉入其中，身体被刺穿几个大窟窿。木栅栏由腰部粗细的整根圆木构成，埋深一米有余，露出地面的部分高达三米。栅栏顶部也被削尖，为了防止腐烂还用火烧燎过圆木表面。
在蒙军到来之前，伯力守军又烧了开水浇在堡垒墙上，让墙体变成了滑溜溜的冰面，根本无法攀爬，木栅栏也是如法炮制。此时围绕堡垒的江面已经封冻，冰层厚度甚至达到一米以上。守军又紧急组织人，用锤砸用火烧用火药炸，在靠近堡垒的江面砸出不少冰窟窿，制造了数十个吞人的陷阱，还顺便捕捞了大量的鲜鱼。那些冰窟窿虽然很快又重新封冻起来，但冰层已是十分脆弱，根本承受不住人马的踩踏。一场飞雪之后，整个大地又变得银装素裹，冰面上也变得了一片整洁，殊不知却暗藏着杀机。
蒙军的试探性进攻便中了计。打头阵的是赎罪军的士兵，他们滑着雪撬在光亮的冰面前进，既快速又丝滑，眼看就要接近堡垒，却不料接而连三掉入冰窟窿。后方的蒙军士兵眼见如此，有的急急上前救援，试图将同伴拖出冰窟窿，更多的则是转身便逃，因为堡墙上的大炮开火了。重炮轰击之下，弹着点的冰面虽然没有被击破，却也出现了大量裂缝，并拉扯着附近的冰层喀喀作响。冰面碎裂的声音比火炮巨响更让蒙军士兵胆寒，炮弹击中自己的概率很低，即便击中也很会当即死去，一了百了。而冰面一旦破碎解体，在这隆冬时节落入水中，很快便会被冻死。即便能被救起大概率也会冻坏四肢，在这恶劣生存环境之中，失去了手脚便意味着凄惨生活的开始，最终下场便是冻饿而死。