我攻城西集团9月9日自济宁、汶上，东集团13日自泰安、莱芜、章邱等地。分别向济南隐蔽开进。15日，两广纵队等扫除长清西南地区敌保安部队，并包围了长清城。此时，王耀武判断我军主攻方向在西面，遂将其预备队第十九旅调至飞机场以西古城方向待机，将第五十七旅由张夏、崮山等地撤入市区，准备转用于西郊。
16日午夜，我军发起全线猛攻，经一天激战，西集团歼灭长清齐河守敌后迅速迫近济南西郊。东集团一举攻克茂岭山、砚池山及回龙岭等制高点。王耀武又判断我主攻方向在东面，急将第十九、第五十七旅东调，并以第十五旅及刚空运抵济的整编第七十四师七个连，自七里河方向向我反击，另以一部增援燕翅山，妄图制止我军的攻势。随后，又将飞机场以西的整编第二师之第二一一旅调入市区，以增强机动兵力。17日，蒋介石命令徐州“剿总”副总司令杜聿明指挥第二兵团准备经鲁西南北援，第七、第十三兵团分由新安镇及固镇地区向徐州集结，准备沿津浦路北攻。华东野战军首长获此情报后，当日即令攻城兵团继续猛攻，令打援、阻援兵团迅速进入阵地，做好歼击援敌的准备。
17日，我攻城东集团在炮火支援下，依托有利地形，不断击退敌之反冲击，并乘胜攻克窑头、甸柳庄等地。攻城西集团也继续分路猛攻，至18日，攻克古城、玉皇山、簸箕山、党家庄等地，并以炮火封锁了济南机场，迫使敌人中止空运。接着，我军攻城兵团首长为扩大战果，以攻城预备队第十三纵队加入西集团作战。19日晚，敌整编第九十六军军长吴化文在我争取下，率整编第八十四师等部3个旅起义，撤离战场。我军趁势猛攻，至20日拂晓，占领商埠以西阵地。
我军的连续猛攻和吴化文部起义，打乱了敌人的防御部署，动摇了敌人坚守济南的信心，王耀武向统帅部请求突围，但遭蒋介石严词斥责，并令其坚决固守诗援。王耀武随即调整部署，除留1个营守千佛山，1个团守马鞍山，以3个旅又1个团守商埠外，将主力撤入城内。南线之敌3个兵团，在蒋介石督令下，正分别向商丘、徐州集结中。
20日，中央军委指示：王耀武部可能突围，应从各方面布置，不使漏网。同时指出：刘峙已令邱清泉兵团集结临城待命援济，应迅速集结打援兵团全力于邹、膝地区，准备歼击北援之敌。华东野战军首长随即令攻城兵团迅速向商埠以东和城垣攻击，并部署兵力防敌突围逃跑。同时又详细研究了徐州之敌北援情况，进一步修订了作战方案，以便随时迎击援敌。
攻城兵团首长依据军委和野故军首长的指示，决定以两集团立即向商埠实施突击，以东集团继续肃清城外残敌，积极进行攻城准备。20日黄昏，西集团经40分钟的炮火准备和连续爆破，即多路突入敌阵地，至22日午，完全占领商埠，汗敌两万余人。东集团也肃清了城东残敌，直逼城下。
我攻占商埠后，敌认为我需经三五天的准备才能攻城，因此，将3个旅集中内城，以4个旅图置外城，积极加修工事，准备顽抗。
为了不给敌以喘息的机会，攻城兵团首长决定立即对外城发起攻击，并作了如下部署：东集团第九纵队配属坦克4辆于城东永固门正面及东南角突击；渤海纵队一部向城东北角佯攻，另一部位于城东北地区准备堵击可能突围逃窜之敌。西集团第十三纵队由城西南永绥门及其以北实施突击；第十纵队由城西普利门及永镇门、小北门实施突击。第三纵队集结商埠为预备队。22日晚，攻城兵团各突击部队在强大炮火掩护下，进行连续爆破，勇猛突击，经1小时左右激战，分别突入外城，与敌展开激烈巷战。至23日，除个别据点外，攻占外城。
退守内城之敌第十五、第十九、第五十七旅等部，妄图依托高厚城墙和坚固工事，作垂死抵抗。蒋介石也下令空军对我所占市区施行区域轰炸，投掷大量炸弹和燃烧弹，使得商埠和外城大片民房被炸起火。居民死伤和财产损失甚重。我军为迅速歼灭残敌，决定即刻对内城发起总攻。以第九纵队、渤海纵队由东南方向，第三、第十三纵队。由西、西南方向实行突击。23日18时，我攻城兵团的全部火炮均参加了火力准备。1小时后，各突击分队发起攻击。王耀武率其残部拼死抵抗，我第九、第十三纵队虽打开了两个突破口，但仍为敌反击夺回，仅从坤顺门附近突入的第十三纵队两个连登城坚守在少数房屋内。我军各级领导随即重新调整部署，并将炮弹、炸药集中于主要突击方向使用。经过紧张、周密的准备后，于24日2时许再次发起突击，终于在当日拂晓前先后由城东南角和城西南角突入城内，激战至黄昏，全歼守敌，解放济南。王耀武化装逃至寿光县境，为我地方武装俘获。
此次战役，敌共出动战斗机375架次，轰炸机71架次，战斗轰炸两用机50架次，实行狂轰烂炸，另以运输机27架次空运部队及物资，但终未能挽救济南守军的覆殁命运。
由徐州北援之敌，虽经蒋介石严令督促，但因察知我打援兵团严阵以待，惧怕被歼，因而行动缓慢，至我军攻克济南时，敌第二兵团方进至城武、曹县地区，第七、第十三兵团尚在集结中。
济南攻克后，菏泽、临沂、烟台等地守敌，慑于我军声威，纷纷弃城逃窜。山东境内除青岛及南部边沿少数据点尚为敌占领外，其余全获解放。在此期间，中原野战军辗转活动于南阳、确山间及大洪山、桐柏山和许昌、漯河以西地区，有效地钳制了白崇禧集团各部，有力地策应了攻济作战。华东各军区及豫皖苏、冀鲁豫军区武装也积极向当面之敌发动进攻，计克沭阳、泗县、民权等城镇十余处，破铁路百余公里，截歼逃敌4700余人，有力地配合了主力作战。
各接管机构和卫戌部队，紧随作战部队之后进入济南市区，进行接管和担任警备，作战部队也一面作战，一面协助接管和警备，在战火弥漫中，积极地抢救人民的生命财产，博得了各界人士的同声赞誉。
华东野战军攻城兵团经过八昼夜连续作战，以伤亡2.6万人为代价，换取了歼敌10万余人（内2万人起义）、攻克济南的重大胜利，开创了我军夺取敌坚固设防和10万重兵据守的大城市的先例，进一步削弱了敌军士气，从根本上动摇了敌人据守大城市进行顽抗的信心；振奋了广大人民的情绪，增强了我军攻克敌坚固设防的大城市的信心。山于济南的攻克，使华北、华东两大解放区完全连成一片，津浦路徐州以北至天津以南段及胶济路青岛以西段全部为我所控制，从而大大地改善了支援前线的条件。同时，华东野战军也能全部南下，协同中原野战军在陇海路以南进行更大规模的歼灭战，逐次歼灭徐州地区的敌人。中共中央在9月29日致华东军区、华东野战军首长的贺电中指出：济南战役“是两年多革命战争发展中给予敌人的最严重的打击之一。”
济南战役，是我军在敌人可能以重兵增援的情况下进行的大城市攻坚战，在作战指导上的主要经验是：
（一）从应付最困难的情况出发，作好战役的各项准备。中央军委、毛泽东主席根据济南守敌兵力较多，工事坚固，援敌较多的情况，预先估计了三种情况和三种结果，多次指示华东野战军必须从最困难处着眼，精心进行战役部署和准备，争取最好的结局。遵照这些指示，华东野战军在攻城和打援、阻援两方面都留置了强大的预备队，预筹了各种情况下转用兵力的措施，认真地选择了打援、阻援战场。同时，战前详细地侦察了敌情、地形，加强了对吴化文部的策反工作；充分作好了粮弹供应、伤员治疗转运等后勤保障工作，从而使我军始终处于主动地位，比预定计划提前攻克了济南。
（二）针对敌军行动的新特点，制订了正确的战役方针。我不真攻城，敌即不真增援；只有在我真攻城，而且在敌坚城之下受到相当损失之后，敌才会组织重兵增援，迫我在不利情况下进行决战，这是1948年上半年华东、中原战场上出现的敌人的新的行动特点。针对这一新特点，中央军委、毛泽东主席正确地规定了以夺取济南为主的战役目的，并制定了攻城打援分工协作的战役方针，以及以一半以上的兵力用于打援和阻援方向的兵力部署原则。华东野战军坚决贯彻了上述指示，在以足够的兵力用于攻城的同时，集中更大的兵力于打援、阻援方向，从而保障了战役的胜利。这种作战目的与手段既相联系又有区别的辩证关系，是在新的情况下，对集中优势兵力各个歼敌原则的灵活运用和发展，对我军同国民党军进行战略决战具有重要的指导意义。
（三）充分发挥炮火和炸药的威力，实行有重点的多面攻击和连续突击。根据济南城高墙厚、工事坚固、多道阵地、防御纵深较大等特点，我军在战役部署上，组织了东、西两个突击集团紧密协同配合，实行有重点的多路攻击与连续突击，使敌人无法判明我之主攻方向而适时调整防御部署，陷入极度混乱。在战术手段上，主要采取火力、爆破、突击相结合，利用强大炮火，辅之以大量炸药，在高大城墙上打开缺口，突击队适时投入战斗，迅速占领突破口，掩护二梯队向纵深和两翼发展，接应友邻突入城内，实行多路分割穿插，在巷战中逐批歼敌。攻济作战证明，这种攻城部署和攻城手段对付敌人据守的大城市是十分有效的。
