在這次戰役準備工作中，還增加了一項新的內容，就是接管城市和對城市實行軍事管製的準備工作。為此，成立了以譚震林為主任的“濟南市軍事管製委員會”，頒發了“約法七章”和“十項規定”，華東局配備了大量的接管幹部，華東軍區指派3個團擔任城市警備，並對這些部隊進行了城市政策的教育和衛戍勤務訓練。這次對濟南市的軍管，為以後對南京、上海等大城市的軍管，提供了有益的經驗。
1948年9月，在攻濟打援戰場上出現了我軍在兵力上優於敵人的新局麵，我軍在山東總兵力達15個縱隊共32萬人，而敵人守城和可能增援兵力總共隻有28萬人。
各部隊在濟南戰役前，一般都集中了1—2個月的時間，繼續開展新式整軍運動，並進行形勢、任務和政策紀律教育。陳毅和譚震林還親自到參戰部隊作戰前動員，激發了廣大指戰員無比高昂的戰鬥士氣。
與此同時，華東局於8月中旬專門召開了地委書記、專員聯席會議，不到2個月，山東全省動員了50萬支前民工，準備了1．4億斤糧食，動員了1．8萬輛小車和1．4萬副擔架。各地地方武裝、民兵也都一齊出動，警戒後方，布下了天羅地網。
擔任打援的部隊，陸續進至運河兩側的鄒縣、滕縣、巨野、嘉祥一線，夾運而陣，構築工事，擺開戰場，嚴陣以待。
十、許世友揮兵圍堅城
1948年9月16日24時整，我各路攻城縱隊隨著許世友一聲令下，炮火齊鳴，殺聲震天，攻克濟南的戰鬥打響了。
在戰役發起之前，為了隱蔽戰役意圖，迷惑敵人，華東野戰軍在蘇豫皖的各個縱隊及蘇北的兵力，推遲了北上打援、阻援的時間，與位於魯西南的部隊，布成夾擊徐州的態勢，並以主力一部及地方武裝襲擾徐州機場，破壞周圍鐵路。敵人錯誤地判斷我軍將先攻徐州，後奪濟南。國民黨軍原定調駐徐州附近的整編83師增援濟南。在空運第19旅以後，徐州“剿總”司令官劉峙借故停運，以保徐州。當我攻城和打援部隊分別按預定意圖展開行動，攻城兵力已包圍濟南時，敵人仍判斷我方的意圖在於圍濟打援，對濟南可能長圍久困，未必真攻。直至我軍以突然勇猛動作，一舉多路突破濟南外圍防線後，敵方如夢初醒，但已為時晚矣。
總攻開始後，我東、西線集團密切配合，從東、西兩翼同時進擊，像一把巨大的鐵鉗，把濟南之敵緊緊鉗住了。
西線集團在開進途中，先期與敵遭遇，殲敵廣部後，直撲長清一線，威逼敵飛機場。這時，王耀武判斷我軍主力在西，惟恐飛機場被我攻占，斬斷濟南內外聯係的唯一通道，一麵嚴令西守備區各部加強防守，一麵連夜派總預備隊第19旅和第57旅向機場西南古城馳援。
當夜，我東線集團9縱25師74團以主力2個營突擊濟南市東南5公裏的茂嶺山，我74團以勇猛的動作在20分鍾內突破了茂嶺山前沿工事，在2小時內完全占領了該山。
敵人以為至少能守半個月之久的茂嶺山、硯池山陣地，僅經一夜戰鬥就被我軍攻破的消息，震撼了整個敵人營壘，引起敵人極大驚恐。這兩座山頭一失，濟南東郊就無險可守了。敵“綏靖”區少將參謀長羅幸理被俘後供稱：“東麵茂嶺山、硯池山的陷落，是濟南戰局失利的重要關鍵。”王耀武惱羞成怒，親自下令槍斃失守這兩座山頭的一名少校營長此時，王耀武又判斷我軍攻城主力在東，急調西援立足未穩之第19旅和第57旅，投入東線作戰。
我西線集團攻占長清、藤槐樹莊、琵琶山、雙廟屯等地後乘勝向臘山、黨家莊一線躍進。敵人飛機場受到直接威脅，再次告急。
此時的王耀武，已是捉襟見肘，再無機動兵力可調。為了阻止我軍行動，他竟然下令打開黃河水閘，將黃河水倒灌人玉符河，使玉符河水位猛漲，河麵增寬數倍。
麵對洶湧渾濁的黃河水和敵人密集的火力封鎖，西線集團廣大指戰員毫不畏懼，奮勇搶渡，一舉突破王符河防線。接著，以猛烈炮火封鎖飛機場，炸壞機場跑道。跑道一壞，敵人緊急空運整編74師抵濟增援的計劃破滅，僅運進該師172團7個連。空運中斷。滿載74師後續部隊的運輸機，飛臨機場上空，見機場火光四起，煙霧衝天，趕忙掉轉機頭逃命去了。
我東線集團奪取茂嶺山、硯池山後，繼續向西挺進，連克燕翅山、馬武寨、甸柳莊、馬家莊等地。敵增援部隊在強有力的炮火掩護下，拚命反撲，企圖奪回已失陣地，未能得逞。王耀武又調剛剛空運抵濟的整編74師7個連，加強到馬家莊方向。敵我雙方展開了一場血戰，一個地堡、一個地堡的激烈爭奪。最後，敵人的反撲被我軍徹底打垮，死傷眾多。我東線集團越戰越勇，直插外城。
王耀武得知東郊陣地大部丟失，西郊機場又危在旦夕，心急如焚，一籌莫展。這時候，王耀武最著急的是搞不清我軍的主攻方向究竟在哪一邊，隻覺得時間不夠用，兵力不夠調。就在王耀武被我軍打得狼狽不堪時，其所部69軍軍長吳化文又宣布戰場起義，加速了濟南守敵的滅亡。