在對西城發起總攻的前夜，為麻痹守敵，山東兵團實施欲擒故縱之計，於4月21日令攻城部隊佯作後撤。濰縣蔣軍興高采烈，以為共軍連戰疲憊，放棄了攻城；王耀武在濟南居然舉行慶功會，慶賀“濰縣解圍”。南京的《中央日報》接著宣稱“濰縣之圍告解”。正當濰縣、濟南、南京歡慶“解圍”之際，山東兵團於4月23日晚，對濰縣西城發起強攻。數百門大炮進行抵近有效的猛烈轟擊，結合坑道爆破，對濰縣西城形成南北夾擊。當晚，九縱二十七師第七十九團首先在北城垣打開缺口，第八連勇士們將寫著“把勝利紅旗插在濰縣城上”十一個大字的紅旗插上城牆迎風飄揚。該團五個連隊在紅旗鼓舞和團參謀長丁亞的指揮下，在城牆上與拚死頑抗的蔣軍展開激烈的爭奪，接連打退敵人十多次反撲，終於將敵人擊潰，堅守住突破口。在這緊急關頭，二十五師第七十三團於24日上午強攻登城成功。許世友當即打電話給聶鳳智，稱讚九縱的決心下得好，部隊打得好。接著，第七十五團、師特務營也相繼突入城內，向縱深發展，直撲敵指揮機關；二十七師乘勢擴大突破口，後續部隊分頭突入城內，進行巷戰，迅速推進。與此同時，渤海縱隊、魯中軍區部隊也從城南突入城內。各部隊密切協同，激戰至24日夜，全部占領西城，守敵大部被殲，殘部由陳金城率領逃往東城。由於濟南援軍進至益都地區，渤海縱隊旋即調往參加打援。
西城攻下後，許世友當即決定：不給敵人喘息機會，下令乘勝攻取東城。九縱第二十五、二十七師依托西城向東打，擔任主攻，第二十六師兩個團配合魯中軍區部隊從南、北兩麵助攻策應，東麵則網開一麵，虛留生路，伺敵突圍於野外殲滅之。4月26日18時，攻城部隊開始炮火準備，各路炮兵部隊在西城居高臨下，迅速將東城的西麵城牆摧垮。19時30分鍾，第二十五、二十七師徒涉搶渡白浪河，一舉突破東城城防，投入巷戰。當夜，突入城內的六個團向縱深發展，憑借堅固工事的守敵，被一一打掉，大部被殲。27日上午8時，陳金城和土頑第八旅旅長張天佐在飛機掩護下，率殘部從東門突圍，企圖逃往濰縣以南25公裏的倉上據點，被預伏的膠東西海軍分區和魯中軍區部隊兜堵殲滅，蔣軍第九十六軍軍長陳金城被俘，土頑張天佐被擊斃，濰縣東城被攻克。
聽到濰縣被攻克消息，安丘、昌樂、寒亭、倉上諸點被圍蔣軍，相繼棄城逃竄，大部被渤海、魯中軍區部隊殲滅；潰散、隱匿的殘敵，後來被地方武裝、民兵解決。
濰縣戰役打響後，青島、濟南兩地蔣軍迅速出動增援。第十一綏靖區司令官丁治磐指揮整六十四師及第五十七旅，於4月5日自青島向西增援，遭膠東軍區部隊和第十三縱隊三十九師的有力阻援，殺傷其4400餘人，被滯留在大沽河兩岸。濟南第二綏靖區司令官王耀武指揮第七十三、八十四、七十五共三個師兵力，於4月15日自濟南東援，進到臨淄、益都一帶，遭到第七縱隊、渤海縱隊和渤海軍區部隊堅決迎擊，傷亡達3000餘人。東西兩路援敵聽到濰縣被攻克消息後，於5月1日、8日相繼撤回原地。
至此，濰縣戰役勝利結束，共殲蔣軍46000餘人，爭取了濰縣自衛總隊和諸城保安團1600餘人起義。濰縣的解放，消除了山東解放區的心腹之患，濰縣周圍十多個縣鎮地主惡霸、慣匪張天佐、張景日等及其武裝，也隨之被消滅，大快人心，也使膠東、渤海、魯中解放區連成一片，使蔣介石在山東的兩個主要戰略要地青島和濟南更形孤立。同時，濰縣的攻堅戰，大大地鍛煉了華野攻堅作戰能力，學會了一套攻堅戰術，也進一步加強了華野的炮兵與工兵，基本上完成了由運動戰向陣地攻堅戰的作戰形式與戰術的轉變。
兗州戰役
兗州戰役，是華野山東兵團在津浦鐵路中段對蔣軍進行的攻城打援戰役，故又稱津浦路中段戰役。1948年5月，由於周張戰役、濰縣戰役的失敗，加之中原戰場告急，蔣介石將駐山東的整七十三、八十二師調走，因此兵力更加減少，被迫退守濟南、青島等城市，以一部兵力守備津浦路中段的兗州等要點，來支撐山東殘局。
5月7日，中共中央軍委致電許世友、譚震林，令山東兵團於5月下旬向津浦路中段行動，在濟南、徐州間選擇某地攻城打援，以打通與魯西的聯係，配合外線兵團在豫東的作戰。根據中央軍委指示，山東兵團鑒於蔣軍第二綏靖區與兗州第十綏靖區結合部的兵力薄弱，決定以渤海縱隊及膠東地方武裝鉗製濟南、青島守敵，以魯中軍區部隊攻泰安，以第七、十三縱隊於泰安南、北打援，切斷濟南、兗州間聯係，而後圍攻兗州，吸引徐州蔣軍北援，相機予以殲滅。第九縱隊繼續在濰縣以北地區休整。