確定以聶鳳智在東、宋時輪在西兩個集團對濟南實施鉗形突擊，華東野戰軍山東兵團司令員許世友、政委員譚震林、副司令員王建安負責統一指揮。
以第9、渤海縱隊等爲攻城東集團，由9縱司令員聶鳳智、政委劉浩天指揮。首先肅清濟南東郊之敵，爾後協同西集團攻城;另指揮渤海軍區部隊攻佔濼口，控制黃河鐵橋，爾後向南突擊。
以3、10縱及魯中南縱隊主力組成攻城西集團，由10縱司令員宋時輪、政治委員劉培善指揮。首先攻佔機場，斷敵空援，並攻佔商埠，爾後在東集團協同下攻城;另指揮兩廣縱隊(約3千人)及外線兵團所屬特務團圍攻長清之敵，冀魯豫軍區部隊一部圍攻齊河之敵。
以特縱炮1團(欠1個營)、炮3團(欠兩個連)及各縱隊炮兵團組成東、西兩個炮兵羣，分別隸屬東、西集團，支援攻城作戰。以第13縱隊爲攻城預備隊。
另外，以約18萬人組成阻援兵團，由華東野戰軍代司令員粟裕指揮:即以4、8縱隊及冀魯豫軍區獨立第1、第3旅，位於金鄉、城武、鉅野、嘉祥地區，構築若干道防禦陣地，堅決阻擊可能由商丘、碭山地區北援之敵;以魯中南縱隊4個團及第7縱隊一部於官橋至膝縣之間地區，構築防禦工事，節節阻擊可能由徐州北援之敵;以第1、第6縱隊、第7縱隊主力、隸屬粟兵團的中野11縱隊，以及蘇北韋吉兵團2、12縱配屬特縱炮兵第2團、第3團兩個連，分別集結於濟寧、充州和滕縣以東地區，待機殲擊沿津浦路北援之敵。
以11縱和各軍區地方武裝在廣大民兵配合下，積極向當面之敵出擊，破壞津浦路、隴海路，牽制敵人，配合主力作戰。
根據中央軍委關於在9 月15 日以前完成攻濟及打援的一切準備工作的指示，華東軍區和山東省黨政領導機關，在華北解放區大力支援下，全面地展開了各項準備工作。
華東軍區以及山東兵團的軍隊後勤系統和地方支前系統召開了聯席會議，全面地部署了後勤保障工作，至戰役發起前，已動員了50 萬支前民工，同時爲參與阻援的豫皖蘇軍區部隊補充了彈藥、糧食、軍裝、醫藥等。
爲了做好接管工作，華東軍區組成濟南市軍事管制委員會並指定了城市警備部隊，進行接管和警備城市的各項準備工作。
攻城西集團9 月9 日自濟寧、汶上，東集團13 日自泰安、萊蕪、章邱等地，分別向濟南隱蔽開進。
15日，兩廣縱隊等掃除長清西南地區敵保安部隊，幷包圍了長清城的保安團。此時，王耀武判斷我軍主攻方向在西面，遂將其預備隊第19旅調至飛機場以西古城方向待機，將第57旅由張夏、崮山等地撤入市區，準備轉用於西郊。
16日午夜，解放軍發起全線猛攻，經一天激戰，西集團殲滅長清齊河守敵後迅速迫近濟南西郊。
東集團的九縱，按照許世友事先早已確定的“東西對進”原則，一舉攻克城東南角的茂嶺山、硯池山及回龍嶺等制高點。
使王耀武判斷主攻方向在東面，急將第19、第57旅東調，並以第15旅及剛空運抵濟的整編第74師7個連，自七里河方向向解放軍反擊，另以一部增援燕翅山，妄圖制止解放軍的攻勢。
隨後，又將飛機場以西的整編第2師之第211旅調入市區，以增強機動兵力。
17 日，蔣介石命令徐州“剿總”副總司令杜聿明指揮第2兵團準備經魯西南北援，第7、第13兵團分由新安鎮及固鎮地區向徐州集結，準備沿津浦路北攻。
阻援指揮的粟裕獲此情報後，即告知劉鄧中原局領導，要求做好配合阻援的準備。
17 日，解放軍攻城東集團在炮火支援下，依託有利地形，不斷擊退敵之反衝擊，並乘勝攻克窯頭、甸柳莊等地。攻城西集團也繼續分路猛攻，至18日，攻克古城、玉皇山、簸箕山、黨家莊等地，並以炮火封鎖了濟南機場，迫使敵人中止空運。
接着，許世友爲擴大戰果，將預備隊的13縱加入西集團作戰。19日晚，國民黨整編第96軍軍長吳化文在我爭取下，率整編第84師等部3個旅約2萬人起義，撤離戰場。解放軍趁勢前進，至20 日拂曉，佔領商埠以西陣地。
解放軍的連續猛攻和吳化文部起義，打亂了國民黨軍的防禦部署，動搖了守軍堅守濟南的信心，王耀武向統帥部請求突圍，但遭蔣介石嚴詞斥責，並令其堅決固守詩援。
王耀武隨即調整部署，除留1個營守千佛山，1個團守馬鞍山，以3個旅又1個團守商埠外，將主力撤入城內。南線之敵3個兵團，在蔣介石督令下，正分別向商丘、徐州集結中。
20 日，中央軍委指示:王耀武部可能突圍，應從各方面佈置，不使漏網。同時指出:劉峙已令邱清泉兵團集結臨城待命援濟，應迅速集結打援兵團全力於鄒、膝地區，準備殲擊北援之敵。
除了華東軍區迅速動員準備阻擊與攔截潰逃之敵外，粟裕也修訂了作戰方案，以便隨時迎擊徐州方向上的可能援敵。
許譚依據軍委指示，決定以兩集團立即向商埠實施突擊，以東集團繼續肅清城外殘敵，積極進行攻城準備。
20 日黃昏，西集團經40 分鐘的炮火準備和連續爆破，即多路突入敵陣地，至22 日午，完全佔領商埠，殲敵兩萬餘人。東集團也肅清了城東殘敵，直逼城下。
解放軍攻佔商埠後，敵認爲我需經三五天的準備才能攻城，因此，將3 個旅集中內城，以4 個旅圖置外城，積極加修工事，準備頑抗。爲了不給敵以喘息的機會，許世友決定立即對外城發起攻擊，並作了如下部署:東集團9縱配屬坦克4輛於城東永固門正面及東南角突擊;渤海縱隊一部向城東北角佯攻，另一部位於城東北地區準備堵擊可能突圍逃竄之敵。