一九四八年五月間，第二綏靖區司令官兼山東省政主席王耀武從南京返回濟南。雖然軍事形勢已如大戰前夜，但他下了飛機哪也沒去先回了家。
王耀武走進母親的房間問安，他自幼喪父，母親含辛茹苦把他拉扯大，他是個孝順的兒子。目不識丁的母親從兒子的臉上看出他憂心忡忡。王耀武沒有多說什麼，只是說濟南現在不大安全，建議母親搬到南京去住。接著，他去了自己的房間。夫人鄭宜蘭是福州地方法院推事的女兒，是王耀武以連長之職隨北伐軍入閩時結識的，兩人婚後相敬如賓，十分恩愛。王耀武把當前的局勢向夫人訴說了一遍，鄭宜蘭聽了很是悲傷，她表示按照丈夫的心願盡快帶著母親和孩子離開濟南，她還安慰丈夫一切不必掛心，放心打仗，打完仗快些到南京團聚。
濟南守軍很快就知道了他們的司令官南遷家人一事。
誰都知道這一舉動無疑是一場血戰即將來臨的信號。
一九四八年春夏之際，有三座省會城市成為共產黨人的攻擊目標：華東野戰軍粟裕部作戰範圍內的山東濟南、東北野戰軍林彪部作戰範圍內的吉林長春以及華北軍區徐向前部作戰範圍內的山西太原。戰爭雙方都很清楚：全國的戰局發展至此，無論以上哪座城市發生戰事，導致的後果絕不是一座城市的得失，而是引燃國共雙方大決戰的導火索。毛澤東苦苦思索的是，從哪座城市下手才能導致最理想的戰爭走向？
蔣介石也在緊張地判斷，哪座城市的失守會動搖長江以北的整個戰線？
王耀武是應蔣介石之命飛往南京的。
在剛剛過去的兩個月內，王耀武的第二綏靖區損失近八萬兵力，濟南周邊三百公里的區域皆為共產黨人所控制，濟南已經成為一座孤城。王耀武深居簡出，深思熟慮之後得出兩個判斷：一、共軍必攻濟南，二、濟南無法守住。王耀武認為，必須果斷地放棄濟南，將所剩兵力集結在兗州及其以南地區，與駐守徐州戰區的部隊連接起來，鞏固徐州至兗州之間的鐵路交通，只有這樣山東以至中原戰局才有支撐下去的可能。
在南京機場迎接王耀武的，是蔣介石的貼心幕僚陳佈雷。陳佈雷與王耀武是至交。寒暄之後，王耀武不避諱地說出了放棄濟南的想法，陳佈雷當即表示贊同，但他也直言不諱地說恐怕無法說服蔣介石。
蔣介石為王耀武安排了家宴。夫人宋美齡親自下廚炒了幾個菜，其中有王司令最愛吃的紅燒雞塊燉粉皮。家宴在宋美齡的營造下瀰漫著一種溫馨的氛圍。酒過三巡之後，王耀武小心地把自己的想法說了出來。果然，蔣介石認為必須確保濟南。他的理由是：一、濟南是華東戰略要地，濟南至徐州的鐵路已修好通車。為了不讓華東與華北的匪區打成一片，不讓共軍掌握交通的動脈，必須守住濟南。二、不能使駐紮在青島的美國海軍陷於孤立；否則，不但在軍事上，政治上也於國軍不利，且會影響美國對我們的援助。三、我們有空運大隊，隨時可以增派援軍。在空軍優勢的條件下，濟南並不孤立，沒有後方也可以作戰。蔣介石的話令王耀武印象深刻：
濟南如果被圍攻，我當親自為你督促主力部隊迅速增援。只要你能守得住，援軍必能及時到達，我有力量來解你的圍。為了確保濟南，必要時還可以增加防守部隊。打仗主要是靠士氣，鼓勵士氣，首先自己不要氣餒。你要知道，我們的失敗是失敗於士氣的低落。你們如不發憤努力，堅定意志，將死無葬身之地。
心情矛盾的王耀武去見了行政院院長張群。張群情緒不高：「主席總是說政治配合不上軍事。兵員糧食困難也要怪我們。軍隊一打就敗，地區不斷地縮小，地區愈縮小，兵員糧食就愈沒辦法。這樣下去，真是危險！」王耀武又見了國防部長何應欽。何應欽情緒激憤：「抗戰勝利後，我們與共產黨作戰以來，我們的將領送給共產黨的禮很多，你也送禮不少。陳辭修曾誇口說只需要三個月、六個月就可以解決共軍的主力，可是現在已打了兩年多了，不但沒有解決共軍的主力，我們的軍隊反而已經被消滅了約有兩百多萬。這樣下去，真是不堪設想。希望你守住濟南，不要再向共產黨送禮了。」
王耀武返回濟南的時候，南京各大報紙都刊登了消息：「王司令長官在文化堂信心百倍以告國人——濟南城防穩固，工事堅強，部署完成，確有保衛大濟南安全之把握。設若奸匪冒險來犯，必予迎頭痛擊！」
毛澤東原來把奪取第一個大城市並永久佔領的希望寄托在林彪身上，因為當時奪取長春的條件最為成熟。長春國民黨守軍約十萬人左右，正規軍和非正規軍、中央軍和地方軍之間矛盾複雜，且具有滇系背景的第六十軍軍長曾澤生正在醞釀起義。但是，林彪認為攻擊長春消耗很大，目前還沒有必勝的把握，建議圍困克城。
六月二十五日東北野戰軍開始圍困長春。
於是，毛澤東將攻克大城市的戰略意圖轉移到山東濟南。
七月十六日，毛澤東一天之內起草多封電報，發致華東野戰軍，催促發起攻擊濟南的作戰行動：
第一封電報發致華東野戰軍山東兵團司令員許世友、政治委員譚震林：
你們殲滅八十四師後除一部兵力殲滅濟寧、汶上之敵，並負責扼守運河要點阻止可能之敵東渡以外，主力應不惜疲勞搶佔濟南飛機場，並迅速完成攻擊濟南之準備，以期提早奪取濟南。
第二封電報發致華東野戰軍代司令員兼代政治委員粟裕、參謀長陳士矩、政治部主任唐亮和副參謀長張震：
……攻克兗州又殲八十四師甚好甚慰。望鼓勵士氣，於盡可能短促時間完成對濟南之包圍〔首先奪取飛機場〕，並乘勝奪取濟南。如果可能，你們應爭取於十天內外奪取濟南。
第三封電報發致粟裕、陳士矩、張震、許世友、譚震林：
……許（許世友）譚（譚震林）已殲滅八十四師，濟（濟寧）汶（汶上）敵已南逃，邱（邱清泉）兵團可能停止東進。許譚在現地休息一二天，應不惜疲勞減員迅即北上包圍濟南，並爭取於十天內外攻克之。
濟南北靠黃河，南倚群山，重要的戰略地位使這座古城幾乎變成了一座軍事要塞。此刻，濟南城內駐守著王耀武部九個正規旅、五個保安旅和特種兵部隊，兵力約十萬。同時，在南面還駐紮著邱清泉、李彌和黃百韜的三個機動兵團約十七萬人，一旦濟南受到攻擊，他們隨時可以北上增援——從戰場態勢上看，粟裕面臨的敵情比林彪面對長春時要嚴重得多，濟南是三座城市中似乎最沒有把握攻取的一座。
毛澤東的催促令粟裕很是不安。
華東野戰軍的內線兵團與外線兵團尚未完全會合，僅靠位於內線的山東兵團很難獨立完成既攻濟南又打援軍的任務——無論攻城還是打援，奪取濟南都必將是一場惡仗。且華東野戰軍主力經過幾個月的連續作戰，部隊減員嚴重，特別是基層指揮員和戰鬥骨幹損失嚴重，尚未來得及補充。部隊的作戰物資消耗甚大，目前秋糧尚未收穫，生產和支前存在著衝突，數十萬大軍作戰的糧食供應任務繁重。如果倉促攻擊濟南，稍有不慎打成夾生飯，後果不堪設想。
粟裕經過縝密考慮致電中央軍委，提出目前攻擊濟南尚有困難，建議休整一個月，然後集中華東野戰軍主力發動濟南戰役。
……以許譚現有兵力攻濟南與打援，勢難得手，如以許譚專任攻濟南，兵力雖可，但時間需長，敵仍可能來援。如邱劉（整編六十四師劉鎮湘部）兩兵團北援，則許譚專任打援，亦感兵力不夠。因此，建議許譚與我們爭取休整時間一月，而後協力攻打濟南，並同時打援，於打援中選擇有力陣地，求殲邱兵團之大部或全部，均屬可能。為求迅速攻佔濟南，必要時，此間可抽出幾個長於攻堅速決的部隊參戰〔估計有半月時間即可〕。只要濟南解決，打援方面又取得勝利，則戰局可能迅速向南轉移，今冬攻佔徐州之計劃，似屬極大可能……
中央軍委回電，同意粟裕部休整一個月，但需提出休整完畢後的作戰計劃。
八月十日，粟裕等華東野戰軍領導聯名向中央軍委提出了三個作戰方案：一是集中全力轉到豫皖蘇和淮北路以東作戰，目的是「截斷徐蚌鐵路，孤立徐州」，作戰重點是打援，求得在運動中尋殲邱清泉的整編第五軍——這個方案的好處是將戰爭完全推出了解放區，減輕了解放區百姓支撐戰爭的負擔，同時可以分散邱清泉和黃百韜兩部兵力，也許能產生打大殲滅戰的戰機；缺點是大軍外線作戰，「供應極感困難」，隴海路又便於敵人機動增援，阻擊的壓力大，打不好孤立徐州的目的不易達到。二是集中主力首先攻佔濟南，用必要兵力阻擊增援之敵——這個方案的好處是可以使濟南守軍的兵力和工事不至於繼續加強，「便於我軍之攻擊」，迅速佔領濟南也有利於「全國戰局及政局」；缺點是，濟南非短期可以攻佔，戰時若長，阻援部隊負擔過重，一旦阻援出現不利，對濟南的攻擊將會形成僵局。同時，把重兵放在攻打濟南上，兗州和濟寧等城市可能會被國民黨軍重新佔領，對大局也是不利的。三是將前兩個方案合併考慮，攻佔濟南與阻擊打援同時進行，即先重點打援，得手後集中主力攻佔濟南——這個方案的好處是在預定戰場打援便於達成殲敵目的，「只要援敵被殲，則攻濟南有保障」。如打援與攻城皆能取勝，就會使下一步「孤立徐州」實施作戰成為可能。而且部隊依托解放區作戰，補給相對容易。
粟裕提出初步戰役設想後，同時建議中原野戰軍主力「向信陽或南陽漢水流域進擊」，吸引黃維的第十二兵團南下，「使其不易北援」；陳謝兵團在鄭州附近發動攻勢，牽制孫元良的第十六兵團，使其不能東援。
兩天後中央軍委回電。這是一封著名的長電，大戰在即的緊要關頭，統帥部與前方將領關於作戰方針的討論皆為商榷的口吻，這種語氣溫和的作戰電報在中外戰爭史上十分罕見，盡示共產黨人的開闊襟懷。
顯然，毛澤東與粟裕的想法有很大不同：
……你們所提三個方案我們正考慮中，待你們和許譚會商提出更接近實際的意見以後，再正式答覆你們。現我們只提出一些初步感想，作為你們會商時的參考材料：
（一）九月作戰，預計結果有三種可能。第一，打一個極大的殲滅戰。這即是你們所說的既攻克濟南，又殲滅五軍等大部分援敵。第二，打一個大的但不是極大的殲滅戰。這即是攻克濟南，又殲滅一部分但不是大部分援敵。第三，濟南既未攻克，援敵亦不好打，形成僵局，只好另尋戰機。
（二）你們第三方案之目的，是為了爭取第一種結果。其弱點是只以兩個縱隊佔領飛機場，對於濟南既不真打，而集中十一個縱隊打援，則援敵勢必謹慎集結緩緩推進，並不真援。邱（邱清泉）、區（區壽年）兵團之所以真援開封，是因為我們真打開封。敵明確知道我是阻援，不是打援，故以十天時間到達了開封。如果你們此次計劃不是真打濟南，而是置重點於打援，則在區兵團被殲，邱黃（黃維）兩兵團重創之後，援敵必然會採取〔不會不採取〕這種謹慎集結緩緩推進方法。到了那時，我軍勢必中途改變計劃，將重點放在真打濟南。這種中途改變計劃，雖然沒有什麼很大的不好，但喪失了一部分時間，並讓敵人推進了一段路程，可能給予戰局以影響。
毛澤東的意思很清楚：粟裕僅用兩個縱隊攻打濟南顯然兵力少了，國民黨軍立即就會識破這是在圍城打援，於是他就不會不顧一切地增援；如若敵人不積極增援，集中十一個縱隊的龐大的打援計劃何以實現？其結果很可能是攻城不成，打援也不成。
……在使用許譚全力而不要其餘各縱參加，或者即使參加也只是個別的師，至多不超過一個縱隊的條件下，我們目前傾向於攻城打援分工協作，以達到既攻克濟南，又殲滅一部援敵之目的，即採取你們第二方案，爭取上述第二項結果。我們覺得這樣做比較穩當，比較能獲結果。因為此次作戰，是在區兵團主力被殲，邱黃又受重創，二十五師（黃百韜部）後撤的情況之下，雖然新來了八師（李彌部）、六十四師（劉鎮湘部），至多只能抵上區兵團主力之被殲及二十五師之後撤。你們集中六至七個縱隊不但能阻住援敵於適當地區，而且能殲滅其一部分，至少能保障攻克濟南。這就是我們所想的攻城打援分工協作計劃。
粟裕明白了，毛澤東認為阻援不足以動用十一個縱隊的兵力，只要六七個縱隊，不但能阻擊住，而且還能殲敵一部，這樣就可以從阻援兵力中騰出四五個縱隊用於攻克濟南。
不管你們採取第二方案或第三方案，在兵力部署方面，葉飛（華東野戰軍第一縱隊司令員）所指揮的三個縱隊，應於本月下旬結束整訓，北移嘉（嘉祥）巨（巨野）地區。已經在北面之各縱及正在移動中之第三縱，則應適時駐於兗濟或其以南地區。即是說，除韋（華東野戰軍蘇北兵團司令員韋國清）吉（華東野戰軍蘇北兵團副政治委員姬鵬飛）之五個旅可以臨時決定參戰位置外〔該部似以擔任攻擊徐蚌段為宜〕，一切正規兵力均應位於正面，先求阻擊，然後尋機殲其幾部。而不要企圖以葉飛三個縱隊尾邱黃之後，作夾擊邱黃之部署。如果你們是企圖打援，則邱黃決不分散走兩路而讓你們夾擊其一路。那時敵之部署，極大可能是以一部位於運河以西〔例如金鄉〕以鉗制我軍一部，而以主力沿津浦路北進援濟。或者相反，以一部擾擊津浦路，而主力沿運西北上援濟。因此，我軍必須事先先夾運（運河）而陣，並構築幾道防禦工事，以便隨時轉移兵力於運東或運西阻擊與殲滅援敵。
毛澤東對粟裕預想的打援計劃也提出了異議，認為採取尾追分割的辦法不妥，建議在運河兩岸設置伏擊戰場。
粟裕表示堅決執行軍委的部署，但堅持濟南戰役分兩個階段實施：
第一階段以足夠（兵力）攻佔機場及達到吸引援敵之力量〔約兩至三個縱隊〕，使用於濟南方面外，其餘應全部使用於打援，以求於第一階段殲援敵六個旅，迫使援敵其餘各路不敢繼續猛進。然後於戰役第二階段集中主力〔東兵團全部及西兵團三至四個縱隊〕攻佔濟南，僅以一部擔任阻援。如此才能爭取攻濟時間，才能保證打援無問題……
濟南畢竟是一座重兵駐守的大城市，在它南面的豫北和蘇北一帶，又有隨時可以機動增援的眾多兵力，作為前方戰場指揮員，粟裕必須在戰前想到所有可能出現的情況，比如國民黨軍以大兵力迅猛增援，一旦突破我軍的阻擊防線，濟南城內的守軍也許會趁勢反擊而出。但是，毛澤東斷定國民黨軍已難以實施大規模的協同作戰。如果國民黨軍是一支上下一致、彼此協同、全力作戰的部隊，我軍對攻擊濟南這樣的大城市必會三思而行。
粟裕要求調蘇北兵團主力參戰以解決兵力不足的問題。
中央軍委批准蘇北兵團除在蘇北留兩個旅之外，其餘兩個縱隊加一個旅全部北上參戰。同時再一次致電粟裕：
粟裕同志：
……此役關係甚大，根據敵我兩方情況，你的顧慮是有理由的……攻克濟南之時間不能預先只規定一種，而應預先規定三種，即二十天、一個月、兩個月。這三種時間中，我們固然要爭取第一種，其次是第二種，但這在戰役發起之前只是一種理想，是否實現要依攻擊過程中敵之防禦能力如何才能確定。或者二十天左右即可攻克，這樣我阻援兵團是有把握阻得住援敵的〔包括殲敵一部分〕；或者要一個月左右才能攻克，這樣我必須殲滅援敵幾個旅，雖然不一定是六個旅，但殲其三至四個旅是完全必須的，否則就不能阻住援敵，我攻濟必功敗垂成。但最重要者是一個月左右還不能攻克濟南，必須大量殲滅援敵，例如六個旅、八個旅或更多些，根本停止了援敵前進，給我以所需要的一切攻城時間，例如一個半月，兩個月，或更多些〔打臨汾曾費去七十二天〕才能克城，你們的根本出發點應放在這種情況上。我們不是要求你們集中最大兵力，不顧一切硬攻濟南，這樣部署是非常危險的。我們要求你們的是以一部兵力真攻濟南〔不是佯攻，也不是只佔飛機場〕，而集中最大兵力於阻援和打援……在此種形勢下同意你的意見，第一階段以足夠攻佔機場及吸引援敵之力量〔兩至三個縱隊〕用於攻城，其餘全部用於打援。依情況發展，如援敵進展得慢，而攻城進展順利，又有內應條件，則考慮增加攻城兵力，先克城，後打援；如援敵進展得快，則應全力先打援，後克城。
軍委
儉（二十八日）丑（夜）
至此，「攻濟打援」的作戰方針基本形成。
在隨後致許世友的電報中，毛澤東特別闡述了「攻濟打援」的意圖所在：「此次作戰目的，主要是奪取濟南，其次才是殲滅一部分援敵，但在手段上即在兵力部署上，卻不應以多數兵力打濟南。如果以多數兵力打濟南，以少數兵力打援敵，則因援敵甚多，勢必阻不住，不能殲其一部，因而不能取得攻濟的必要時間，則攻濟必不成功。」
華東野戰軍制定的作戰計劃是：以三十二萬總兵力的百分之四十四約十四萬人攻擊濟南，同時以百分之五十六的兵力約十八萬人阻援。攻城的主攻方向是濟南城西，因為西面守軍整編第九十六軍軍長吳化文有戰場起義的可能。
野戰軍組成了攻城兵團和打援兵團：
攻城兵團戰鬥序列是：第三縱隊八師、九師，第九縱隊二十五、二十六、二十七師，第十縱隊二十八、二十九師，第十三縱隊三十七、三十八、三十九師，兩廣縱隊三個團，渤海縱隊七、十一師，魯中南縱隊四十六、四十七師，渤海軍區四個團，冀魯豫軍區六個團，野戰軍司令部警衛團，特種兵縱隊一部。打援兵團戰鬥序列是：第一縱隊一、二、三師，第二縱隊四、五、六師，第四縱隊十、十一、十二師，第六縱隊十六、十七、十八師，第七縱隊十九、二十、二十一師，第八縱隊二十二、二十三師，第十二縱隊三十五、三十六師，魯中南縱隊四個團，冀魯豫軍區獨立第一、第三旅，中原野戰軍第十一縱隊三十一、三十二、三十三旅，特種兵縱隊一部。
攻城兵團以第三、第十縱隊以及魯中南縱隊組成西兵團，由十縱司令員宋時輪、政治委員劉培善統一指揮，攻佔機場後向內城發展。另外，西兵團還負責指揮兩廣縱隊、野戰軍警衛團、冀魯豫軍區部隊圍攻濟南以南的長清和濟南以西的齊河。同時，攻城兵團以第九縱隊和渤海縱隊組成東兵團，由九縱隊司令員聶鳳智、政治委員劉浩天統一指揮，肅清濟南東郊外圍據點後協同西兵團攻城。攻城兵團以第十三縱隊為預備隊，配屬在濟南的東南方向。
打援兵團則按照「夾運而陣」的部署：第四、第八兩縱隊及冀魯豫軍區獨立第一、第三旅位於魯西南的金鄉、城武、巨野、嘉祥地區，構築防禦工事，阻擊可能由豫東商丘和皖北碭山地區出動的援軍；以魯中南軍區四個團及第七縱隊一部位於魯南滕縣至官橋之間，準備阻擊自徐州方向出動的援軍；以第一、第六、第七縱隊主力、中原野戰軍第十一縱隊、蘇北兵團第二、第十二縱隊，配屬縱隊炮兵第二、第三團的兩個連，集結於濟寧、兗州和滕縣以東地區，待機殲滅沿津浦路北上的援軍。
粟裕計劃九月十六日發起攻擊，預計十五至二十天攻克濟南。
蔣介石深知「濟南穩則徐州穩，徐州穩則中原穩」。一九四七年二月萊蕪戰役失利後，他曾親自到濟南當面告誡王耀武：「濟南在政治、軍事、地理上都很重要，如發生問題你要負責。」但是，到了一九四八年春，濟南至濰縣、濟南至青島和濟南至徐州之間，國民黨軍各部都已被一一殲滅，濟南周圍三百公里的地區都已被華東野戰軍控制。美國軍事顧問團主張將王耀武部從濟南撤至徐州，但蔣介石堅持認為這是美國人不懂得中國軍事地理而提出的糊塗建議，濟南必須固守。
九月初，蔣介石得知華東野戰軍開始向濟南方向雲集，立即命令將駐守青島的整編七十四師（孟良崮戰役後重建）五十七旅和駐守徐州的整編八十三師十九旅緊急空運濟南。同時命令邱清泉的第二兵團集結於豫北商丘一帶，黃百韜的第七兵團集結於蘇北新安鎮一線，李彌的第十三兵團集結於蘇北宿縣一線，以備北上增援濟南。
王耀武的幕僚們一致認為，共軍絕不會放過濟南，濟南很快就會受到攻擊。因為，一、共軍為了鞏固後方必須佔領濟南；二、共軍已經具備了相當的攻堅能力；三、之前，共軍對膠濟鐵路、津浦鐵路和濟南附近地區的公路不斷破壞，最近卻一反常態開始加緊搶修；四、共軍又開始大量釋放被俘官兵了，在萊蕪戰役中被俘的大部分軍官已被釋放回濟南，同時共軍對濰縣、兗州戰役中失散的國軍軍官家眷給以格外照顧，每人都發了路費讓他們回到濟南城，連從濰縣等地跑到濟南的商人也到處說共軍如何好，要知道，共軍每在大戰發動前都要做這些工作。
王耀武知道，由於整個城防防禦正面太大，兵力不足導致機動兵力很少，而守備區域內處處都要設防，拿第二綏靖區參謀長羅幸理的話來講，濟南防禦系統猶如「大人穿小孩的衣服」。在這種情況下，只有加強每一個據點的防禦工事。王耀武下令濟南全城征工征料。他親自視察施工情況，重點檢查機場、四里山、千佛山、硯池山、茂嶺山、洪家樓、黃台山等主要據點。為了檢驗堅固性，他命令炮兵對準硯池山和茂嶺山工事進行破壞性轟擊，結果令他十分滿意。他對陪同他檢查的整編七十三師師長曹振鐸說：「這樣堅固的工事，共軍想攻下一個據點，是極不容易的事。我們如再守不住，那真太無用了。」曹師長說：「我在抗戰時也沒有做過這樣好的堅固工事。我們的工事做好了，就怕共軍不敢來；如來攻，定會把他們擊敗。」
為了搶奪糧食，蔣介石用四架運輸機空運來大量的金圓券，王耀武命令各部隊或在解放區的邊緣，或派人潛入解放區的內部，用金圓券將村鎮百姓手裡的糧食搶奪殆盡。為了解決兵源不足問題，王耀武開始擴編地方武裝，先是招募社會閒雜人員組成了約兩千人的「救民先鋒總隊」，又招收青年學生組成了約八千人的「青年教導總隊」。國防部軍事新聞通訊社少將主任劉子瑛急就特寫一篇，題為：一寸山河一寸血，十萬青年十萬軍。王耀武認為文章寫得很好，特送劉子瑛麵粉十袋煤炭一卡車。接下來，士氣是個大問題。王耀武深知，打仗不是打誰的兵多，最終打的還是士氣。此時，國民黨軍中認為打不贏共產黨已成共識，這種念頭經過被釋放回來的被俘官兵的宣傳得到進一步強化，最令人擔心的是這種想法在軍官中尤為普遍。王耀武決定採取「正面教育」的手段。他評選「戰鬥英雄」，為立功官兵授獎，還指示商會出錢、婦女會出人組成「慰勞隊」，去部隊贈送慰勞品，演戲、唱歌，替官兵縫補漿洗。提高王耀武的個人威望，也是提高士氣的重要內容，濟南各大報刊連續刊登吹捧文章，稱譽王耀武「當年三捷長沙，近日砥柱黃河，古城名將，相得益彰，濟南城防，堅如磐石，固若金湯」。
但是，蔣介石認為，王耀武本人的士氣就很成問題。他先後派國防部第三廳廳長郭汝瑰和徐州「剿總」副總司令杜聿明來濟南視察防務。郭汝瑰是工兵出身，他對王耀武就城防陣地的構成作了理論上的闡述，比如他認為城內修建的碉堡過於暴露，容易受到火炮的直接轟擊，建議把幾隻羊放到碉堡裡去開炮試一試。杜聿明則熱衷於他在東北與林彪作戰的體會，不但沒有對濟南防務提出任何積極的建議，反而與王耀武的高級將領們發生了衝突。因為王耀武希望徐州方面至少調來一個師加強濟南防禦，而無論是徐州「剿總」總司令劉峙，還是杜聿明，都不可能再抽出一兵一卒給濟南，因為他們必須確保徐州的安全。杜聿明說，只要加強工事，濟南便可以守住，只要守上十五天，增援部隊就可以到達，如果守不住，再增加多少兵力也同樣守不住。王耀武的高級將領們根本不相信增援部隊能在十五天內到達，而如果不增兵，濟南頂多能守上三五天。杜聿明很生氣，他向蔣介石報告說，濟南守軍將領的思想有問題。還是陪同視察的陸軍總部第三署署長徐志勖和副署長程有秋說了真話：濟南防禦攤子太大，兵力和火力都顯不足。
王耀武利用現有兵力制定了濟南城防部署：濟南全城被劃分為東西兩個守備區，守備的重點是機場以西以南。東守備區自城北洛口至城南八里窪，以外圍黃台山、茂嶺山、硯池山、千佛山一線為主陣地，由整編七十三師十五、七十七旅和整編第二師二一三旅、特務旅、保安六旅等部隊防禦，整編七十三師師長曹振鐸統一指揮，司令部設在城內窗後街西頭。西守備區是城北洛口至城南八里窪一線以西地區，以外圍周官屯、白馬山、青龍山、張莊飛機場、商埠西端一線為主陣地，由整編八十四師一五五、一六一旅、整編第九十六軍獨立旅、整編第二師二一一旅、青年教導總隊、救民先鋒總隊和保安八旅等部隊防禦，整編第九十六軍軍長兼整編八十四師師長吳化文統一指揮，司令部設在城西的商埠。同時，以空運濟南的部隊為總預備隊，由整編第二師師長晏子風統一指揮。
九月十四日，王耀武再飛南京，請求蔣介石必須增加濟南的防禦兵力，至少要給一個師。王耀武反覆陳述：過去與共軍作戰，增援部隊大多沒有到達指定位置，原因是對共軍的阻擊能力估計不足。如果濟南受到攻擊，增援部隊不能及時趕到，濟南就危險了。蔣介石終於答應將整編七十四師從徐州空運到濟南。得到了一個師，雖然還是口頭上的，王耀武稍微鬆了一口氣。但當蔣介石把他帶到紫金山中的一塊空地時，他的心情再次異樣起來。蔣介石對他說，這裡是籌劃中的國民革命軍將軍墓地，少將以上的將領戰死都將埋在這裡，圖紙已經畫好，只是時局緊張不知能否按計劃施工。接著，王耀武再次聽到了蔣介石近來頻繁重複的那句話：我們弄不好會死無葬身之地。
離開那片長滿青草的山坡，王耀武立即回到自己在南京的別墅看望母親、妻子和孩子。母親老淚縱橫，妻兒悲喜交加。王耀武只在家裡待了一個晚上就返回了濟南。他不知道的是，與母親妻兒一別，此生竟天各一方。
九月九日，華東野戰軍攻城部隊自濟寧、汶上、泰安和萊蕪地區向濟南隱蔽開進，至十五日夜逼近濟南城下。
王耀武判斷共軍的主攻方向在西面，目標首先是佔領機場，遂將預備隊整編八十三師十九旅調往機場方向，並將整編七十四師五十七旅收縮入城，準備用於城西防禦。
十六日午夜，濟南戰役正式打響。
華東野戰軍攻城兵團在東、西、南、北各百里的廣闊範圍內，同時向濟南外圍據點發起猛烈攻擊。根據濟南外圍據點縱深大、空隙多的特點，各部隊迅猛穿插，大膽揳入，開始割裂濟南外圍的防禦系統。西兵團十縱由西向東攻擊，拂曉時分，守軍十九旅五十五團聞風撤退，二十八師官兵追敵至濟南以西的古城附近，殲滅整編第二師二一一旅的一個團部。在向古城攻擊時，突擊部隊一度受阻，後改用土工作業的手段挖掘交通壕近敵。夜幕降臨，二十八師在開闊地的深壕內再次發起攻擊，守軍最終放棄陣地逃跑。此時，二十九師已開始攻擊玉符河邊的常旗屯據點。常旗屯據點是敵二一一旅旅部所在地，前面的玉符河寬約百米，深約兩米，壩高三米，河邊堡壘成串，設置有地雷區。二十九師八十七團三營在營長胡成群和教導員劉華的率領下，強渡突破。七連三排長張憲臣率領全排邊涉水邊攻擊，三十九名官兵，攻擊到堤壩前時，只剩下了腿部受傷的張排長和參軍才一個多月的戰士李洪緒。張排長踩著李洪緒的肩膀爬上堤壩，炸毀一座地堡之後，用綁腿將李洪緒拉上來，兩人在守軍反撲時堅持不退，一直等來後續部隊。
西兵團的兩廣縱隊和野戰軍警衛團包圍了濟南西面的長清縣城。長清是濟南外圍防禦的重要據點，由縣自衛隊兩千餘人負責防守，最高指揮官是這個縣的縣長。縣長在西兵團開始攻城後，命令守軍在東門裡的大操場集合，準備濟南方向的增援部隊到達時趁勢突圍。但是，左等右等不來。上午十時傳來消息說，增援的整編第二師受阻來不了了，縣長立即命令部隊回到原陣地上。可是，西兵團的官兵已經攻入城內。據守縣城南門外險要陣地石麟山的守軍也跑回來了，被守城官兵用繩子一個個從城牆外拉進了城。石麟山丟失，長清也就完了。於是，縣長又命令全體到北門集合，準備突圍。此時長清城裡已經大亂，試著從北門突出去的先頭部隊很快就沒了消息。緊跟著，縣長也沒了蹤影，聽說他繞到西北角逃出去，但沒逃多遠被解放軍捉到了。長清縣守軍，除被打死打傷之外，其餘全部被俘，被俘官兵被解放軍集合在一起，俘虜們這才發現，腰插駁殼槍向他們交代俘虜政策的竟然是保安隊十二中隊隊長。俘虜們徹底絕望了，一起混飯這麼長時間，竟然不知道隊長原來是潛伏的共產黨。
東兵團九縱的攻擊目標是城東的防禦高地茂嶺山和硯池山。茂嶺山是濟南防禦體系中重要的外圍陣地，就在這裡受到攻擊前的幾個小時，王耀武還到這裡檢查了工事。茂嶺山守軍是整編七十三師十五旅，王耀武上山的時候，十五旅官兵正在用門板構築類似屏風一樣的障礙物。王耀武一見就火了：「做這個有什麼用？茂嶺山、硯池山是濟南城東的屏障，關係濟南存亡，將來失掉，我要殺人！」官兵強調現在已很難征到修築工事所需的材料，王耀武一面指示趕快把材料運上來，一面指示把不合格的碉堡炸掉重修。官兵正在炸碉堡的時候，東兵團的攻擊開始了。九縱二十五師七十四團的三個連同時發動衝擊，四連八班首先攻佔一座碉堡，一排在東北角爆破成功，二排在連續攻擊後全排只剩下九人，但最終還是將守軍壓縮到了茂嶺山陣地的西南角。兩個小時後，七十四團佔領茂嶺山主陣地，並且迅速掃清山腰殘敵。此戰，七十四團傷亡巨大，戰鬥中人員連續合併五次，最後全團只能編成三個排。與此同時，二十五師七十五團在付出重大傷亡後，攻佔了硯池山陣地，陣地上還活著的六十名守軍投降。
茂嶺山和硯池山相繼陷落，令本來以為這兩個高地至少能夠守上十天半個月的王耀武頓感意外，他有了一種不祥的預感：「解放軍以火力封鎖守軍堡壘的射擊口，奮不顧身、一波又一波地向前猛衝，並向堡壘裡投擲爆破筒，堡壘很多處被炮火及爆破筒炸壞。整編七十三師也集中炮火向來攻的解放軍猛烈還擊，掩護防守茂嶺山、硯池山的部隊反擊，雙方爭奪甚烈。此時解放軍又增加部隊衝上來，並以猛烈炮火阻止守軍增援，守軍傷亡頗眾。被視為濟南屏障的茂嶺山、硯池山，經一夜的血戰，被解放軍佔領了。有的官兵被炮火及炸藥的爆炸震暈過去，醒來後方知陣地已被佔領，他們已經做了俘虜。在茂嶺山後面的十五旅的一個營，未與解放軍激戰，即由該營營長朱國華帶著向後撤退。七十三師師長曹振鐸派人攔住，並向我報告要求加以懲辦。我為了鎮壓部隊潰退，就命令按『連坐法』把朱國華槍決了。」——這個名叫朱國華的營長被押到洛口以南鳳凰山附近的一座小石橋邊，被執法隊一槍打死了。無法得知這位營長還沒看見共產黨軍隊就向後跑的真正原因，他也沒有機會為自己申辯了。
東面兩個重要高地的丟失，給王耀武造成很大的壓力，他認為自己原來判斷華東野戰軍從西面主攻是錯誤的，於是將已經部署在西面的十九旅和五十七旅調了回來，同時命令整編七十三師預備隊和十九旅一起向茂嶺山和硯池山反擊。但是，反擊未成，傷亡巨大：四十八團團長李樸陣亡，二三團團長周羽重傷——「好好的隊伍，從東到西，又從西到東，只晃了這麼幾下，就晃完了。」被俘的國民黨軍軍官埋怨王耀武只知道把預備隊來回調動。而王耀武不知道，正是他將西面的預備隊調往東面，從而使得華東野戰軍預定的主攻方向上兵力薄弱，這對日後的作戰起到了特殊的作用。
十七日，王耀武接到蔣介石的電報，蔣介石告訴他：「共軍有以優勢兵力在我援軍尚未到來以前攻下濟南，再集中力量向我北上援軍反擊的企圖，望我官兵報定與濟南共存亡的決心，必能將敵擊潰。已令劉總司令、杜副總司令督促援軍向濟南迅速前進。」但是，就在王耀武接到蔣介石電報的時候，他在《中央日報》上看見了這樣一條消息：「濟南外圍已有接觸。戰雲籠罩下之秋季會戰顯有在津浦路中段進行之跡象。」——王耀武明白了，這絕對是劉峙搞的鬼，此刻強調徐州防衛，目的就是不增援濟南。果然，王耀武給劉峙打電話，劉總司令根本就沒有增援濟南的任何打算。
十八日，戰鬥集中在西面的飛機場和東面的馬家莊。
凌晨二時，在濟南以西防禦的整編第二師二一一旅旅長馬培基讓衛兵弄來了月餅，他對獨立大隊大隊長瞿賡揚說：「老弟，我們過個節吧。」瞿隊長明顯感到了馬旅長悲涼的心境，言外之意是說不定什麼時候就被打死了。吃完月餅，瞿隊長率領兩個連發動反擊，這兩個連的骨幹全是「中美訓練班」出來的學生，作戰兇猛，果然把當面的一支攻擊部隊壓了下去。但是，攻城西兵團拿下機場的決心已定。此時，從徐州來的整編七十四師正在空運，當炮彈落到跑道上的時候，滿載後續部隊的運輸機根本沒有降落，立即掉頭飛走了。
已經被空運到濟南機場的整編七十四師的七個連，由五十八旅一七二團團長劉炳昆率領。劉炳昆是王耀武的老部下，長期受到王耀武的關照，在此危急時刻見到王耀武他有些激動。儘管他帶來的這七個連沒有任何武器，因為劉峙連輕武器都沒讓他們攜帶，但是劉團長還是向王耀武要求戰鬥任務，並且要求把他派到作戰最吃緊的地方去——劉炳昆的七個連到軍械倉庫領取槍支彈藥後，被派往東面戰鬥最殘酷的馬家莊。
華東野戰軍攻城東兵團攻佔茂嶺山和硯池山後，立即向濟南外圍城垣發起攻擊。王耀武命令守軍在馬家莊一線建立阻擊陣地。東兵團攻擊部隊集中炮火掩護步兵反覆衝鋒，一度佔領了馬家莊的一半陣地。王耀武命令十九旅上來增援。東兵團的官兵利用房屋作掩護阻擊十九旅，十九旅則在房屋牆壁上打洞強行推進，致使馬家莊一線每房必爭，雙方都付出了很大的傷亡。十九旅旅長趙堯親手槍斃了十幾個潰兵，但依舊不能阻止士兵怯戰。戰至午後，趙堯負傷，十九旅「死屍纍纍，傷兵後運，絡繹不絕」。
就在戰鬥膠著的緊急時刻，王耀武聽到了一個令他徹底絕望的消息：負責濟南城西防禦的整編第九十六軍軍長兼整編八十四師師長吳化文倒戈了。
吳化文，出生於山東掖縣一個農民家庭。十七歲參加馮玉祥的西北軍，中原大戰時追隨韓復矩後又投靠蔣介石。抗戰時期，被汪偽政權任命為第三方面軍上將總司令。抗戰勝利後，他奉蔣介石的命令開赴兗州，擔任兗州周邊鐵路掩護和維修任務，以保障國民黨中央軍李延年部北進受降。一九四七年五月，出任整編八十四師師長。濰縣戰役中，整編第九十六軍軍長陳金城被俘，王耀武為了拉攏吳化文死守濟南，保薦他升任整編第九十六軍軍長兼整編八十四師師長，指揮相當於八個旅的兵力，負責濟南城西守備。吳化文是國民黨地方軍出身，一直與黃埔系貌合神離，加上他從軍打仗只為自己的實力，因此隨著歷史的沉浮不斷地改換門庭。內戰爆發後，他認為蔣介石軍事力量強大，又有美國人的援助，因此對蔣介石抱有幻想，但同時也時時提防著自己被吞併。隨著共產黨領導的軍隊節節勝利，特別是整編八十四師的一個主力旅在大汶口被圍殲，他在恐懼中開始重新考慮自己的前途。吳化文倒戈經過十分複雜，他對於共產黨從來沒有真正信任過，他當過偽軍的歷史更是他心中不可化解的疙瘩。共產黨人對他的策反幾乎動用了他身邊所有的人，包括他的夫人。在圍攻濟南已成定局的情況下，共產黨方面在加大軍事打擊力度的同時，也加大了對他的政治爭取工作。共產黨人提出上、中、下三策供吳化文選擇：一是單獨起義，解放濟南；二是裡應外合，配合解放軍解放濟南；三是頑抗到底。共產黨人正告吳化文：解放軍一定要解放濟南，一定能夠解放濟南。為自身著想，他必須早日有所行動，如果不能扣住王耀武，讓出路來也算立功。
十九日晚，吳化文率整編第九十六軍軍部和整編八十四師師部以及一五五旅、一六一旅、獨立旅等部約兩萬人宣佈起義，並將濟南機場和周圍防區移交給了宋時輪、劉培善指揮的攻城西兵團部隊。吳化文在起義通電中說：
……自倭寇入侵，全國燃起抗日烽火，化文等於抗戰初期，奮起禦侮，並無二致。嗣受蔣賊曲線救國政策所愚弄，喪失民族立場，鑄成大錯。抗戰勝利以後，人民巨創深痛，乃復昧於大義，重受蔣賊欺蒙，參加反共、反人民內戰，一錯再錯，罪孽彌深，清夜捫心，漸悔交迫。爰於九月十九日率全體官兵，在濟南戰場，毅然起義，圖能力贖前失，走向光明大道。今後誓當站在人民立場，堅決擁護中國共產黨主張，服從中共中央毛主席、朱總司令與華東諸軍政首長領導，在人民解放軍的統一號令下，為堅決驅逐美帝國主義的侵略勢力，為徹底打倒國民黨反動統治，完全解放全中國人民而忠誠奮鬥，凡人民解放軍宣言所載之各項基本政策，諸如打倒蔣介石獨裁統治，成立民主聯合政府，懲辦內戰罪犯，肅清貪官污吏，沒收官僚資本，發展民族工商業，廢除蔣介石統治之獨裁製度，實行人民民主制度……皆系中國人民之迫切要求與救國救民之最好途徑，化文等必當奉為圭臬，引為準繩，鞠躬盡瘁，永矢不渝……
吳化文的戰場倒戈，對濟南守軍產生了巨大影響，特別是對於王耀武。王耀武平時對吳化文沒有絲毫警惕。杜聿明來濟南視察城防時，曾提醒王耀武要警惕吳化文的反覆無常，王耀武卻表示吳化文不會有什麼問題。九月十七日那天，王耀武視察茂嶺山陣地後約見吳化文，發現吳化文的表情有點慌張。吳化文走了之後，王耀武還對身邊的人說，吳軍長被共軍嚇糊塗了。從那時起，王耀武打電話總是找不到吳化文，接電話的人說他去部隊了，其實他正在準備起義。
十九日晚，整編八十四師一五五旅的一個團長跑到王耀武那裡，驚慌地報告了吳化文倒戈的消息。王耀武大驚失色，立即派特務團、裝甲汽車連加強司令部的警衛，同時分別給蔣介石和劉峙打電報報告情況：「吳化文部投共，濟南腹背受敵，情況惡化，可否一舉向北突圍？」王耀武連夜擬定了堅守和突圍兩種方案。由於覺得突圍不可能得到蔣介石的批准，於是仍然決定固守待援。而實際上，他已經決定出逃。第二綏靖區副司令官牟中珩回憶道：
王耀武用急電將吳化文起義情況報告蔣介石，並立即召集副司令官牟中珩、參謀長羅幸理到其室內，驚慌失措地說：「吳化文投敵啦！濟南大勢已去，我要到第一線的開元寺去，今後的戰局由羅參謀長負全責指揮。」當時羅幸理看了我一眼說：「可由副司令官負全責。」王耀武說：「不行！副司令官與吳化文意見很深，留在此地恐怕吃他的虧，也要離開。」羅已知王耀武要逃走，乃對王說：「那好吧！我本想與濟南陣地共存亡，這樣我也不準備犧牲啦，我準備被俘。請司令官到了後方時，對我妻子的生活關照一下。」王又指示羅：「一般文件即行燒燬，只帶重要文件，速將綏靖區司令部移往城內省政府去，將原來重點堅守商埠的計劃，改為堅守濟南城。」隨後，王耀武又找來國民黨山東省黨部主任委員龐鏡塘、第四兵站總監部副總監鄭希冉〔帶一小包黃金〕以及副官、衛士數人，策劃一起逃走。王、牟、龐、鄭等人首先到了四里山二一三旅旅部。王耀武給前方兩個旅長打了電話，令其堅守陣地。然後夥同泰安縣長及便衣隊十數人〔王耀武是泰安縣人〕，加上龐鏡塘、鄭希冉等一起向南逃竄。我見王耀武向南逃走，心想我是黃縣人，應往東走，將來可以回家或到青島去，於是決定不與王耀武同行，便由四里山回到司令部，與羅幸理見了一面。當時羅幸理正忙著往城內搬家，對我說：「那好吧！咱們自便吧！」我離開司令部後，便沿著黃河南岸東行，逃至高密縣境內，就被當地解放軍查獲了。王耀武、龐鏡塘、鄭希冉等人向南逃竄，因城南系山區，解放軍兵力佈置得較密集，他們又轉回洛口企圖北逃，選了幾條路，均未走通。整整竄了一夜，就是鑽不出去，天明時只得又回到城內。
九月二十日，濟南外圍防禦據點已被全部掃清。
華東野戰軍準備攻城了。
在《華東野戰軍秋季會戰戰勤計劃》裡有這樣的內容：預計南北線傷亡五萬人，其中陣亡的約佔百分之二十，共一萬人（北線四千人，南線五千人），每人包屍布五丈（一尺二寸闊土布），共需土布五萬丈（北線兩萬丈，南線三萬丈）。另需準備百分之十的幹部棺材，共一千口（北線四百口，南線六百口）——毛澤東說：「此次攻濟是一次嚴重作戰」。
的確，血戰即將開始。