确定以聂凤智在东、宋时轮在西两个集团对济南实施钳形突击，华东野战军山东兵团司令员许世友、政委员谭震林、副司令员王建安负责统一指挥。
    以第9、渤海纵队等为攻城东集团，由9纵司令员聂凤智、政委刘浩天指挥。首先肃清济南东郊之敌，尔后协同西集团攻城;另指挥渤海军区部队攻占泺口，控制黄河铁桥，尔后向南突击。
    以3、10纵及鲁中南纵队主力组成攻城西集团，由10纵司令员宋时轮、政治委员刘培善指挥。首先攻占机场，断敌空援，并攻占商埠，尔后在东集团协同下攻城;另指挥两广纵队(约3千人)及外线兵团所属特务团围攻长清之敌，冀鲁豫军区部队一部围攻齐河之敌。
    以特纵炮1团(欠1个营)、炮3团(欠两个连)及各纵队炮兵团组成东、西两个炮兵群，分别隶属东、西集团，支援攻城作战。以第13纵队为攻城预备队。
    另外，以约18万人组成阻援兵团，由华东野战军代司令员粟裕指挥:即以4、8纵队及冀鲁豫军区独立第1、第3旅，位于金乡、城武、巨野、嘉祥地区，构筑若干道防御阵地，坚决阻击可能由商丘、砀山地区北援之敌;以鲁中南纵队4个团及第7纵队一部于官桥至膝县之间地区，构筑防御工事，节节阻击可能由徐州北援之敌;以第1、第6纵队、第7纵队主力、隶属粟兵团的中野11纵队，以及苏北韦吉兵团2、12纵配属特纵炮兵第2团、第3团两个连，分别集结于济宁、充州和滕县以东地区，待机歼击沿津浦路北援之敌。
    以11纵和各军区地方武装在广大民兵配合下，积极向当面之敌出击，破坏津浦路、陇海路，牵制敌人，配合主力作战。
    根据中央军委关于在9 月15 日以前完成攻济及打援的一切准备工作的指示，华东军区和山东省党政领导机关，在华北解放区大力支援下，全面地展开了各项准备工作。
    华东军区以及山东兵团的军队后勤系统和地方支前系统召开了联席会议，全面地部署了后勤保障工作，至战役发起前，已动员了50 万支前民工，同时为参与阻援的豫皖苏军区部队补充了弹药、粮食、军装、医药等。
    为了做好接管工作，华东军区组成济南市军事管制委员会并指定了城市警备部队，进行接管和警备城市的各项准备工作。
    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，并包围了长清城的保安团。此时，王耀武判断我军主攻方向在西面，遂将其预备队第19旅调至飞机场以西古城方向待机，将第57旅由张夏、崮山等地撤入市区，准备转用于西郊。
    16日午夜，解放军发起全线猛攻，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。
    东集团的九纵，按照许世友事先早已确定的“东西对进”原则，一举攻克城东南角的茂岭山、砚池山及回龙岭等制高点。
    使王耀武判断主攻方向在东面，急将第19、第57旅东调，并以第15旅及刚空运抵济的整编第74师7个连，自七里河方向向解放军反击，另以一部增援燕翅山，妄图制止解放军的攻势。
    随后，又将飞机场以西的整编第2师之第211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2兵团准备经鲁西南北援，第7、第13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。
    阻援指挥的粟裕获此情报后，即告知刘邓中原局领导，要求做好配合阻援的准备。
    17 日，解放军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，许世友为扩大战果，将预备队的13纵加入西集团作战。19日晚，国民党整编第96军军长吴化文在我争取下，率整编第84师等部3个旅约2万人起义，撤离战场。解放军趁势前进，至20 日拂晓，占领商埠以西阵地。
    解放军的连续猛攻和吴化文部起义，打乱了国民党军的防御部署，动摇了守军坚守济南的信心，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。
    除了华东军区迅速动员准备阻击与拦截溃逃之敌外，粟裕也修订了作战方案，以便随时迎击徐州方向上的可能援敌。
    许谭依据军委指示，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，歼敌两万余人。东集团也肃清了城东残敌，直逼城下。
    解放军攻占商埠后，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，许世友决定立即对外城发起攻击，并作了如下部署:东集团9纵配属坦克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。