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為屏障徐州，隔斷華北、華東兩大解放區的聯絡，並遲滯華東野戰軍南進，蔣總統作出確保濟南的決定，令第二“綏靖”區司令官王耀武率部固守濟南，並在徐州及其附近地區集中3個兵團，準備待華東野戰軍進攻濟南受到一定消耗後，伺機北上舉行會戰，還決定集中162架戰鬥機、42架轟炸機進行空中支援。

濟南位於津浦、膠濟鐵路的交會處，是蔣總統由“分割槽防禦”改為“重點防禦”情況下藉以支撐其華北局面的戰略要地。該城是山東地區國軍部隊唯一的堅固堡壘，城內駐有國軍第2綏靖區司令長官王耀武所部及空運來的2個旅，共11萬人。

ZG中央和軍委根據華東野戰軍領導人提出的作戰方案，確定了“攻濟打援”方針，令華東野戰軍秋季作戰以攻克濟南為主要目標，並準備殲滅徐州北援的國軍。

國軍第2綏靖區司令長官王耀武令守軍儘量縮小防禦圈，加強要點，特別是機場和城區的守備，控制強大預備隊，準備適時進行反擊，支援外圍據點防守，消耗人民解放軍力量於外圍，達到固守待援之目的。守軍佈置了三道防禦陣地：以內城為核心陣地，以外城和商埠為基本陣地，以周圍城鎮及制高點為外圍陣地。各陣地以混凝土地堡為主，形成能獨立作戰的支撐點，內外城均構築有巷戰工事。其部署是：以黃河北岸濼口鎮至城南馬鞍山之線為分界線，分為東、西兩個守備區，東守備區由整編第73師、保安第6旅等3個旅防守；西守備區由整編第96軍（轄整編第2、第84師和獨立旅）、“綏靖”區特務旅、保安第8旅和青年教導總隊等8個旅防守；另以保安第4旅等部守備長清、齊河等外圍據點，以第。退守內城的第15、第19、第57旅等部依託堅固工事，運用各種火力與障礙進行頑抗。攻城部隊在炮火支援下，分別從東西兩個方向對內城實施突擊，首先在城東南角、西南角開啟兩個突破口。守軍拼死抵抗，戰鬥異常激烈。攻城部隊除第13縱隊一部從西南角登城並佔據少數房屋外，全線受阻。攻城兵團指揮部遂調整部署，將炮彈、炸藥集中使用於主要突擊方向，再次組織突破。24日2時許，第9縱隊第25師和第13縱隊第37師各一部，運用炮火、爆破、突擊緊密結合的戰術，先後在城東南角和西南角突破成功。其餘各縱隊也於拂曉突入城內，與守軍展開激烈巷戰。突入部隊東西對進，直插縱深，守軍節節敗退。激戰至24日黃昏，全殲內城守軍。外圍據守馬鞍山、千佛山等地的國民黨軍殘部，經攻城部隊的炮擊和政治攻勢，於25、26日放下武器。王耀武等少數高階官員化裝潛逃，在壽光縣境被民兵俘獲。打援兵團嚴陣以待，國軍增援部隊倉皇回撤。當華東野戰軍攻城兵團突破濟南外圍防線之際，蔣總統命令徐州“剿匪”總司令部副總司令杜光亭指揮第2兵團準備由商丘經魯西南北援，第7、第13兵團分由新安鎮、固鎮地區向徐州集結，準備沿津浦鐵路（天津－浦口）北攻。據此，粟裕令打援兵團迅速進入陣地，做好迎擊援軍的準備。打援、阻援集團分別在鄒縣、滕縣地區和城武、金鄉、鉅野、嘉祥地區嚴陣以待。蔣總統為解濟南危局，嚴令徐州的三個機動兵團迅速沿津浦路北上增援，但各兵團都對此視為畏途，不敢貿然行動，互相觀望，當濟南被攻下時，它們還遠在200多千米之外。9月24日，第7、第13兵團尚在集結之中；第2兵團進抵城武、曹縣地區後，聞濟南守軍已被全殲，即倉皇回撤。濟南解放後，菏澤、臨沂、煙臺等地國軍先後棄城撤逃。至此，山東全省除青島及少數邊沿據點和島嶼外，均獲解放。戰役期間，中原野戰軍嚴密監視和牽制中原戰場的國軍，有力地策應了攻濟作戰。華東軍區所屬各軍區和豫皖蘇、冀魯豫軍區部隊及民兵也積極配合，主動出擊當面之敵，攻克據點數十處。濟南戰役，華東野戰軍經8晝夜激戰，以傷亡2。6萬餘人的代價，共殲滅國軍10。4萬餘人（內起義2萬餘人），俘虜高階將領23名，繳獲各種火炮800餘門、坦克和裝甲車20餘輛、汽車238輛，擊毀擊傷飛機3架。

濟南被攻佔的訊息傳到南京，蔣總統在總統府內大發雷霆，大罵第2綏靖區王司令無能，對黨國不忠，甚至為此摔壞了收音