有多年作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的蔣介石對於濟(jì)南這個戰(zhàn)略要地的重要性當(dāng)然是十分明白的，而且他也已經(jīng)預(yù)感到，雙方都在徐州地區(qū)集中了大量兵力，這個自古就是兵家必爭之地的徐州地區(qū)不久就會有一場大戰(zhàn)。如果濟(jì)南能夠掌握在自己手中，不僅可以將粟裕的幾十萬兵力拖在山東，又能使未來的大戰(zhàn)開戰(zhàn)以後讓粟裕有後顧之憂，所以蔣介石決定給王耀武增加兵力。爲(wèi)了搶時間，蔣介石命令空軍司令王叔銘安排大批空運(yùn)力量，很快從青島、徐州向濟(jì)南運(yùn)送了一個整編師和兩個旅的兵力，使王耀武手中的兵力達(dá)到了三個整師又五個旅，共11萬人。同時蔣介石命令徐州“剿總”副司令杜聿明指揮黃百韜、李彌、邱清泉三個兵團(tuán)共17萬人組成所謂“進(jìn)剿兵團(tuán)”，一旦濟(jì)南打響，就分路北援濟(jì)南。此外，蔣介石還命令他的空軍部隊以濟(jì)南、青島爲(wèi)基地，以北平、徐州爲(wèi)輔基地，集中戰(zhàn)鬥機(jī)162架、重型轟炸機(jī)42架，作爲(wèi)空中打擊與支援力量。於是，王耀武增強(qiáng)了信心，就把全力投入到濟(jì)南的防守，等待著華東野戰(zhàn)軍對濟(jì)南的攻城。
勢態(tài)很明顯，雙方都看準(zhǔn)了這一著棋，都把濟(jì)南這一仗看作了未來在徐州地區(qū)大戰(zhàn)的一場必不可少的前奏。
濟(jì)南的攻防之戰(zhàn)將是一場惡仗。
在西柏坡，毛澤東和中央軍委的負(fù)責(zé)人一直注視著粟裕當(dāng)時設(shè)在濟(jì)寧的指揮部，因爲(wèi)他們也一致認(rèn)爲(wèi)，必須解放濟(jì)南，但“這是一次嚴(yán)重作戰(zhàn)”。因爲(wèi)，打濟(jì)南的主要麻煩不在於濟(jì)南的11萬守軍，而在於我軍只要在濟(jì)南一打響，蔣介石在徐州地區(qū)的大量援軍必然北上，如何才能成功地在打援中大量殲滅敵人的有生力量，不使我軍在濟(jì)南城下的攻堅戰(zhàn)形成被動局面，是應(yīng)當(dāng)著重考慮的大問題。爲(wèi)此，中央軍委和華東野戰(zhàn)軍負(fù)責(zé)人之間的電報不斷，反覆研究，最後才定下了作戰(zhàn)方案。這一仗，總的指揮由粟裕負(fù)責(zé)，而攻城指揮，由許世友負(fù)責(zé)。攻城兵力，以山東兵團(tuán)爲(wèi)主，共爲(wèi)50個團(tuán)14萬人；打援兵力，安排90多個團(tuán)18萬人。
打援的主要地區(qū)，放在兗州和鉅野（今鉅野）之間，夾運(yùn)河而陣，以便於屆時能主動地在河?xùn)|或河西殲滅敵人。攻城分爲(wèi)兩個階段：第一階段首先攻佔(zhàn)城西的飛機(jī)場，截斷敵人空中援助支持的通道；第二階段再行攻城。整個戰(zhàn)役爭取一個月完成，但要做好打三個月的準(zhǔn)備。此外，中央軍委還命令中原野戰(zhàn)軍做好準(zhǔn)備，如果蔣介石要從鄭州、信陽調(diào)動張軫兵團(tuán)、孫元良兵團(tuán)向山東支援的話，就加以阻擊，配合濟(jì)南方面的華東野戰(zhàn)軍。就在中共中央政治局西柏坡九月會議期間，中央軍委與華野前線的電報仍然不斷，整個戰(zhàn)役的具體計劃，則是在緊張籌備九月會議的進(jìn)程中完成的。9月2日，毛澤東在華東野戰(zhàn)軍最後完成的作戰(zhàn)方案上做了“完全同意”的批覆。當(dāng)天，華東野戰(zhàn)軍就下達(dá)了開始行動的作戰(zhàn)命令。
濟(jì)南戰(zhàn)役的攻城總指揮是許世友。
許世友擔(dān)任攻打濟(jì)南的攻城兵團(tuán)司令員，粟裕給了他六個半縱隊，還有特種兵縱隊的大部和一些地方部隊，共有14萬人。許世友把這14萬人分成了東西兩個集團(tuán)：東面攻城集團(tuán)軍由九縱司令員聶鳳智、政委劉浩天指揮，西面攻城集團(tuán)軍由十縱司令員宋時輪、政委劉培善指揮。
9月7日，許世友下達(dá)了對濟(jì)南發(fā)起攻擊的命令。這一天，正是中共中央在西柏坡召開政治局會議正式開會的前一天。當(dāng)政治局會議正式開幕的時候，我十幾萬大軍正在向濟(jì)南城下開進(jìn)。
9月15日夜，我東、西兩面的攻城集團(tuán)軍已分別從濟(jì)寧、汶上和泰安、萊蕪地區(qū)逼近濟(jì)南城郊。16日夜，突然向守軍發(fā)起攻擊並迅速將外圍突破。經(jīng)過兩天一層一層地摧毀敵人的工事，西集團(tuán)軍在18日就已逼近飛機(jī)場，炮火已使得敵人的飛機(jī)不能自由起降。蔣介石運(yùn)送部隊給濟(jì)南的空中支援只能停止。東集團(tuán)軍則已佔(zhàn)領(lǐng)茂嶺山、硯池山、回龍山等要點(diǎn)，直撲外城。正當(dāng)王耀武全力保衛(wèi)機(jī)場和城區(qū)時，一件讓王耀武萬萬想不到的事情發(fā)生了：19日，奉命守衛(wèi)西城區(qū)的第九十六軍軍長吳化文率所部三個旅兩萬餘人宣佈起義。
吳化文起義是解放戰(zhàn)爭進(jìn)入決戰(zhàn)時期的第一次國民黨軍起義，是整個解放戰(zhàn)爭中第一個在大型戰(zhàn)役戰(zhàn)場上起義的國民黨軍軍長（1945年10月30日，國民黨第十一戰(zhàn)區(qū)副司令長官高樹勳邯鄲起義是在內(nèi)戰(zhàn)前夕起義的，雙方未發(fā)生戰(zhàn)事），此事在當(dāng)時曾引起了很大的震動。
吳化文起義在當(dāng)時是一件大事，因爲(wèi)它不僅對解放濟(jì)南有利，而且可以動搖和瓦解蔣介石集團(tuán)的其他將領(lǐng)。吳化文在歷史上對我黨、對人民是犯有重大罪過的，但是隻要他能幡然悔過，棄暗投明，我黨仍然是歡迎的。這對於加速蔣介石集團(tuán)的分化，具有十分重要的作用。朱德曾經(jīng)對吳化文起義說過“對我打下濟(jì)南起了相當(dāng)作用，今後作戰(zhàn)，就需要這樣的起義”。吳化文起義還有一個作用是表明了我黨強(qiáng)大的政治工作威力。吳化文部起義之後，經(jīng)過整編，成爲(wèi)人民解放軍第三十五軍，以後與原華東野戰(zhàn)軍的魯中南縱隊合併，仍稱三十五軍，吳化文仍然擔(dān)任軍長，他的幾個部下仍然擔(dān)任副軍長和師長，在我軍派入幹部的幫助教育與全面整頓之後，部隊面貌煥然一新，不僅參加了淮海戰(zhàn)役、渡江戰(zhàn)役和解放南京，而且在1949年4月24日佔(zhàn)領(lǐng)蔣介石的總統(tǒng)府，將紅旗插上蔣介石總統(tǒng)府的門樓的，就是三十五軍的革命戰(zhàn)士。
由於吳化文的起義，將濟(jì)南的西大門敞開，打破了王耀武的防禦體系，濟(jì)南戰(zhàn)局急轉(zhuǎn)直下。9月20日，濟(jì)南城外守軍被我全殲。22日夜，我軍使用重炮加坦克（我九縱出動了坦克4輛，這是我軍首次在攻城中使用坦克）配合步兵的連續(xù)爆破，一舉攻破外城。由於濟(jì)南的內(nèi)城高達(dá)15米，被挖空建造成三層的機(jī)槍工事，城下還有城壕和無數(shù)碉堡，強(qiáng)攻不易，所以我軍經(jīng)過充分的準(zhǔn)備之後，於23日18時以猛烈的炮火先向敵人陣地進(jìn)行了40分鐘的破襲，然後開始攻城。第二天拂曉，突入內(nèi)城，經(jīng)過激烈巷戰(zhàn)，我九縱七十三團(tuán)二營首先攻入山東省政府。24日17時，濟(jì)南全城解放。但是，省政府裡沒有王耀武，全城搜索，也沒有王耀武。
原來，就在我軍攻入城的時候，王耀武自知全軍覆沒已是無可避免，就化裝成一個小商販，混在市民之中逃出了濟(jì)南城，向青島方向逃去。由於王耀武是山東人，也比較能混，所以一直在老百姓中混了好幾天，纔在壽光縣境內(nèi)被我軍抓住，送進(jìn)了戰(zhàn)俘營。王耀武被俘後，曾經(jīng)爲(wèi)自己未能和吳化文一道起義而後悔，他在給吳化文的一封信中說：
“君爲(wèi)座上客，弟爲(wèi)階下囚。你起義向我說一聲，我也起義不好嗎？”
被俘50天之後，他在我軍辦的山東解放軍官教導(dǎo)團(tuán)教育之下，在我華東新華廣播電臺向全國發(fā)表了廣播講話。
我是前國民黨山東省主席兼第二綏靖區(qū)司令官王耀武，今天借這麼一個機(jī)會向各位做簡單的報告。首先我說明這次濟(jì)南失敗的原因。守濟(jì)南的軍隊有10萬之衆(zhòng)，有關(guān)作戰(zhàn)的物資也不爲(wèi)不多，市郊工事經(jīng)兩年來不斷修築不爲(wèi)不堅，但是僅8天的戰(zhàn)鬥就被全部殲滅了。就是吳化文不起義，亦是很快地要被殲滅。這又是什麼緣故呢？因爲(wèi)國軍沒有理想信仰，反人民，反大衆(zhòng)，加以解放軍英勇爲(wèi)人民大衆(zhòng)的犧牲精神及優(yōu)越的技能，實(shí)令人欽佩。所謂得民者昌，失民者亡，所以很迅速地將戰(zhàn)鬥結(jié)束了。其次我要給蔣先生一點(diǎn)意見。在北伐與抗戰(zhàn)中你有一時期與共產(chǎn)黨合作，所以得到成功。但是你堅持獨(dú)裁，完全爲(wèi)四大家族打算，因此兵連禍結(jié)，全國無一片乾淨(jìng)土。爲(wèi)了取得軍事上經(jīng)濟(jì)上的外援，不惜與美帝國主義訂了那麼多的辱國條約，斷送子子孫孫的幸福。以現(xiàn)在局勢看，國民黨的失敗已經(jīng)註定，還要做最後的掙扎是多麼不智。最好命令全國國民黨軍隊立即向人民解放軍無條件投降，使全國立即恢復(fù)和平，國家民族多保存一點(diǎn)元?dú)狻?
作爲(wèi)華東重鎮(zhèn)的濟(jì)南，我軍只用了8天就攻克。當(dāng)蔣介石得知吳化文起義的消息後，他已知道濟(jì)南必丟無疑，也知道我軍的打援大軍正在等他，所以並未催促杜聿明率兵北援濟(jì)南。當(dāng)濟(jì)南已被攻克時，蔣介石原來部署的援助大軍的三個兵團(tuán)中只有一個兵團(tuán)在動，另兩個還在集結(jié)之中。所以，我軍原來準(zhǔn)備的打援殲敵計劃未能實(shí)現(xiàn)。就這一點(diǎn)來說，華東野戰(zhàn)軍是有一點(diǎn)遺憾的。但是，濟(jì)南戰(zhàn)役除了在如何打攻堅戰(zhàn)這一問題上爲(wèi)今後提供了有益的經(jīng)驗(yàn)之外，在如何利用敵方內(nèi)部矛盾去分化瓦解敵人，爭取敵人中的一部分能在戰(zhàn)場上起義或投誠，以減少我方的傷亡、保護(hù)城市免遭破壞也提供了十分有益的啓示。從具體的戰(zhàn)果來看，這一仗共殲敵10.4萬人，抓獲敵高級將領(lǐng)23人（除王耀武外，還有他的副司令牟中珩、國民黨山東省黨部主任委員龐鏡塘等）。由於菏澤、臨沂、煙臺等地的國民黨軍在濟(jì)南解放之後都先後逃走，故而整個山東除青島之外全部落入我手，使華北、華東兩個解放區(qū)完全連成了一片，這給我軍的下一步行動帶來了極大的方便。當(dāng)然，在這一次攻堅戰(zhàn)中我軍也付出了代價，我三縱第八師師長王吉文、十三縱第三十七師政委徐海珊等在戰(zhàn)鬥中光榮犧牲。
濟(jì)南戰(zhàn)役是在中共中央西柏坡九月會議這次大決戰(zhàn)的總動員會議召開期間進(jìn)行的。濟(jì)南戰(zhàn)役的巨大成功不僅大大地鼓舞了到會的我軍各路將領(lǐng)，而且消除了會議討論中對我軍的大城市攻堅能力的某些疑慮。用毛澤東修改審定的新華社社論《慶祝解放濟(jì)南的偉大勝利》中的話說，“任何一個國民黨的城市都無法抵禦人民解放軍的攻擊了”，包括“北平、天津、瀋陽三點(diǎn)”在內(nèi)。所以，中央軍委總參謀長周恩來說：“濟(jì)南戰(zhàn)役的勝利，揭開了人民解放戰(zhàn)爭戰(zhàn)略決戰(zhàn)的序幕。”