九月九日，粟裕参加西兵团作战会议时，获悉济南城西的机场外围敌人防守兵力增至五个旅，正日夜加固工事。担心三纵、十纵进攻时会有较大难度，会拖长时间。粟裕致电身在前线指挥部的许世友、王建安，指示“鲁中纵队首先沿大沙河东北攻占大高山、双山头、羊洞顶、马林并转向党家庄、井家沟攻击前进；第一步作战，十三纵最好全部———若不能全歼，至少抽一个师或更多兵力协同鲁中纵队从南面攻取飞机场。”
许世友对粟裕的命令有异议。当天复电，反倒主张将西兵团的一个纵队调到铁路以东，意在先攻打商埠。
粟裕断然否定了这个设想。指出，“攻济战役能否成功，正如军委所示，在于时间的取得；而攻济之第一步要求在于迅速攻占机场断绝敌人空援。……攻城第二步再以主力转向济城及商埠。”命令许世友不得擅改原定计划；同时决定十三纵紧随鲁中南纵队跟进，必要时加入攻击。
为了激励士气，粟裕特地到十纵给营以上干部讲话。鼓励他们不负毛主席所望，英勇奋战，“打进济南府，活捉王耀武！”
九月九日、十三日，华野攻城部队的西集团和东集团，在陈士榘参谋长指挥下，先后从泰安、汶上、济宁、莱芜出发，秘密向济南靠近。
从九月十三日（济南战役发动前）起，华东军区序列的江淮军区部队、豫皖苏军区部队攻击徐州至商丘、徐州至蚌埠、徐州至运河站的铁路线，将沿线蒋军歼灭或驱逐，兵锋所向，直指徐州。
刘峙大惊，不得不从山东撤回部分兵力以加强徐州防卫。
华东军区的淮南部队攻击蚌埠至浦口的铁路线；留在苏北的华野三十三旅向运河沿线出击，配合济南战役。
九月十五日（济南战役发动的前夕），华野两广纵队攻克长清。这座小城乃济南西南面屏障，距济南三十多公里。由于两广纵队打仗勇猛，力度亚似主力；加以位于西郊的机场附近华野大军云集，王耀武判断粟裕把主攻方向放在西面了。便将预备队十九旅调到城西的古城一带，将西南面距城十五公里的五十七旅撤到济南城内防守西郊。
粟裕致电许世友、王建安并报中央军委：“按原计划于铣（十六日）晚开始对济南攻击。三纵、十纵、两广纵队、特纵已按计划开进，我已令他们听从你们（指许、王）指挥。”
一九四八年九月十六日二十四时，粟裕向许世友发出命令：“许世友同志，现在，我命令你发起总攻；你须向东西两路大军传达我的命令！”
顷刻，济南城内外方圆五十公里万炮怒吼，大地为之颠簸不已；火光冲天，宛如白昼；硝烟形成了一道无边无际的大幕，将中秋节前一天的月亮完全遮住了。
华野十纵沿黄河东岸开阔地带，从西南方向向古城攻击前进；
三纵、华野司令部警卫团，配合十纵，向琵琶山一带攻击前进；
冀鲁豫军区部队向济南西北面黄河对岸的齐河（即晏城）守军发起攻击。一小时不到就夺取了城池。旋即追击逃敌；
渤海军区部队由济南正北面的黄河渡口，攻击鹊山，并逼向黄河铁桥；
华野渤海纵队从济南东北方向，向王舍人庄攻击。此地为济南的东北屏障；
华野鲁中南纵队由济南的南边向双头山一带进攻；
十三纵作预备队，集结济南的南面；
九纵司令员聂凤智战前在连以上干部会上说，我们九纵本来已被安排担任助攻，东西两路主攻都没有我们，是我和刘政委[1]利用跟饶政委的关系，饶政委帮我们从粟司令员那里争来了东路主攻的任务。得来不易呀，同志们一定要珍惜，可不要让我和刘政委丢脸呀。
大家齐声高呼口号，作为回答：“打进济南府，活捉王耀武！”
当十二颗红色信号弹升起，在夜空中划出一道红色弧形时，前面说到的万炮齐发顷刻发生。长时间炮火覆盖轰击，摧毁了蒋军大量的外围工事；然后延伸压制，掩护步兵突击队挺进。
九纵二十五师的七十四团、七十五团突击济南的东大门茂岭山、砚池山。凌晨二时，攻占了茂岭山主峰。五时许，茂岭山战斗全部结束，敌人除被击毙者，生俘一千余人。当七十四团攻打茂岭山之际，七十五团也直插茂岭山南边的砚池山。激战仅半个多小时，守敌打出了白旗，要求投降。
王耀武战前曾吹嘘，济南东大门茂岭山、砚池山“固若金汤，足够共军啃半个月”，不料几个小时就丢失了。
接下来的三天内，九纵的突击队越战越勇，接连攻克敌人一大批主阵地以及村庄据点。
与此同时，华野攻城西集团也取得了重大进展，攻克西城、玉皇山等城西外围阵地，乘胜向济南主城近处的党家庄、腊山进攻，直接威胁济南西郊机场。
这让王耀武惶惑不安，一会儿认为共军主攻方向在西面，一会儿又说不对，“看来应该在东面”。就这样把他的总预备队在东西两面调来调去。这被华野攻城部队官兵嘲笑为“调兵大游行”。
王耀武哪里知道，粟裕有意违背“用兵教程”，东西两线安排的都是主攻部队。
设在宁阳的华野指挥部。
粟裕密切关注着济南西郊机场。据南京“蚕豆小组”获得的情报，蒋军重新组建的整编七十四师通过空运向济南增援。第一批一个团正在登机，很快就要起飞了。而宋时轮用于攻取机场的兵力太少，许世友并未及时增派攻打机场的援兵。粟裕发了一通脾气，质问许世友怎么搞的。然后马上叫通了宋时轮电话，教宋时轮亲自带一支部队增援机场外围；野司炮纵将直接轰击机场，不让敌机着地。
顷刻，炮弹密集飞向机场，将跑道、停机坪、塔台炸了个稀烂；一百多门高射炮在机场周围上空编织了一片火网，飞机根本无法靠近。
运送整编七十四师的飞机只好返回徐州。
蒋介石无奈，只得从地上想办法。催促徐州“剿总”副司令官杜聿明火速派兵救援济南。
杜聿明不敢怠慢，赶快调第二兵团经鲁西南北上；第七兵团、第十三兵团尽快集结徐州，从津浦路北上。
粟裕微微一笑。立即命令打援部队进入阵地，以逸待劳，准备在这里打一个规模不小于攻城的歼灭战。
但杜聿明获悉粟裕握重兵以待，不敢轻易冒进，叮嘱两路援兵“持重”。
他这一叮嘱，三个兵团的头头正求之不得。结果，直到济南战役结束，第二兵团只向前移动了十五公里，又赶快缩了回去；第七、第十三兵团则还没有集结完毕。
王耀武部署在西面的主力师吴化文六十九军，该军共两万多人。
吴化文战前与地下党联系，明确表示要在“关键时刻”起义；后来又一再推托，有骑墙的迹象。后来看到九纵攻势凌厉，接连踏平东面几道阵线；十纵又在重炮封锁机场之际，突破外围大部分主阵地；看情势城破只在旦夕。吴化文这才害怕起来，赶快派代表穿越火线去找宋时轮接洽。
粟裕得到宋时轮报告，当即用电话向华东局书记、华东军区政委饶漱石请示。
饶漱石指示，立刻派野司政治部副主任钟期光赴十纵，协同宋时轮做好这一工作。对吴化文不要提过高要求，例如参战之类；只要求他率领部队离开战场，把阵地交给我军，开到黄河以北的章丘、梧台待命。起义后的经费暂时维持现状，以后按我军待遇拨给款项。为防止其中途生变，应命令吴化文按我们划定的路线即刻撤离战场；同时我军西兵团加紧扩大战果，向吴部逼压。
十九日夜，吴化文率三个旅两万余人起义；将飞机场及所有防区交给宋时轮。
粟裕命令攻城集团十纵、三纵、两广纵队（附野司特务团）趁机向商埠、城区猛攻，扩大战果。又因打援部队暂时无事，调叶飞纵队北上加入攻城部队，以尽快结束战事。
济南腹背受敌。王耀武束手无策，只好放弃外围残存的阵地，收缩兵力。企图凭借内城固守。
二十日，九纵直薄东面城墙，立刻向外城开展抵近作业，挖掘延伸战壕。只用了两天就完成了总攻外城的一应战斗准备。
王耀武自作聪明，认为共军连续作战六天六夜，定然人困马乏，完成了抵近作业后，在这种已然稳操胜券的情况下，怎么着也会休整数日。
不料就在抵近作业完成后不到一个小时，粟裕就向许世友、王建安发出了总攻外城的命令。
于是，攻城大军从四面八方拥向城垣。
聂凤智在茂岭山指挥所接到王建安的命令，立即下令纵队所属炮兵向各攻击点实施打击。
十九时许，九纵各主攻团同时对各个预定突破口发起连续冲击。
次日，东西两个攻城集团攻占外围阵地的一百六十余个支撑点，包括商埠、外城在内，至此，攻城部队的锋芒直指王耀武的核心阵地———内城。
内城的城墙高十四米、底宽十米。城墙上建造了三层射击设施，附有消除射击死角的侧击掩体，构成严密有效的交叉火网。城墙外是宽大的护城河，墙根下暗堡成群、鹿砦密闭、雷阵环绕。王耀武的守城部队尚余九万，全部退缩到内城防守。
二十三日十八时，总攻内城的炮击持续了一个小时，摧毁了大部分城外暗堡、鹿砦、雷阵以及城墙上工事之后，全部炮弹延伸飞进城内，掩护攻城突击队行动。
九纵七十三团冲击最快，于次日凌晨四时五十分突破城上阻击，进入内城。九纵主力部队和十纵紧随其后，冲破硝烟，也进入了内城。突击队与身后大部队最初形成了一条长龙，不久分作三路，最后是六路，分头追击敌人。
仍然冲在最前头的七十三团，分两路直奔新、旧省政府衙门。
二营首先炸开旧省府围墙，缴获美制榴弹炮十门、山炮七门、坦克一辆，五分钟内推进了五百多米。
三营从突破口向西攻击前进，转而插向西北角，打遍了半个内城。机枪兵王会康在抢救老百姓时，裤子烧掉一半。团长张慕立刻脱下自己的裤子，命令他穿上。三营五连打进新省府，发现这里是广播电台，四周埋了许多炸药，上面倒满煤油。他挥手命令战士们闪开，亲手去剪断引线，然后命令大家将炸药挖出来，搬开。
西面攻城集团十三纵之一一〇团、一〇九团从城西南角跃上城墙，控制了突破口，掩护大批主力部队拥进城去。他们在西半城扫**残敌，有力地配合了东半城九纵的行动。
王耀武的绥靖司令部设在山东银行大楼四楼。守大楼的司令部卫队团和解放军交上火之际，王耀武叫参谋长罗辛理代替他指挥。他自己则化装成商人，在少数侍卫簇拥下，经地道潜出城去。结果也没逃脱，在寿光县被老百姓捉获。
二十四日十八时，九纵与三纵、十纵、十三纵在济南城内会师，宣告胜利。
济南战役历时共八昼夜，全歼守敌十三万人，包括起义的吴化文部在内。其中九纵歼敌最多，为两万八千人。九纵二十五师之七十三团被中央军委命名为“济南第一团”。
菏泽、烟台、临沂的蒋军闻讯弃城而逃，只青岛及南部边沿地带尚在蒋军手中。山东全境基本解放了。
华野攻占了济南，等于拔除了蒋军在山东解放区腹地的最大战略据点，消除了心腹之患，为下一个更大规模歼灭战的开展免除了后顾之忧；同时，济南是华东的工业和商业并重的大城市，无疑会增强华东解放区的经济实力；打下了济南，解放了城区七十万人，也使华东与华北两大解放区连成了一片。
早在一九四八年八月份，也就是济南战役尚在谋划中时，粟裕就在考虑下一步、下二步、下三步的行动了。他严格根据毛泽东的指示，没有孤立地去谋划济南战役，而是把它作为下一个行动的起点，作为推动下一场规模更大的战役的序幕战。
八月二十三日，他与饶漱石商量后，向中央报告，夺取了济南之后，“我们即可举全力沿运河及津浦南下”“攻占两淮及高邮、宝应”。他所提出的这一思考就是在徐州以东作战的问题。他认为，兵出徐蚌线以东，首先攻占两淮、高、宝，则可孤立徐州，“亦为将来渡江作战创造有利条件”。他设想：华野兵出徐蚌线以东，再筹划一个类似“攻济打援”的“围点打援”，在以足够兵力攻取两淮、高、宝时，部署华野主力于运河两岸，待歼从徐州、海州来援之敌。继而攻占海州、连云港。他在致中央电里给这个系列行动取了个名：淮海战役。
过了一个多月，济南战役已经展开数日，华野也已破城而入，胜券在握之际；南线援敌面对华野八个纵队的打援大军，不敢越雷池一步。粟裕此刻好整以暇，又想起了他盘算良久的“淮海战役”。九月二十四日早晨，在济南巷战激烈的枪声伴奏下，粟裕给军委草拟了一份电报，同时发给华东局、中原局，“建议即进行淮海战役”。
二十五日上午九时，毛泽东致电饶漱石、粟裕，指示饶漱石到华野司令部召开会议，讨论下一步行动问题，把最后商定的意见上报军委。
当天下午四时，毛泽东再次致电粟裕，要他把下一步作战地域的敌情详报上来。
还是在二十五日这天，傍晚七时，毛泽东为军委起草第三份电报，明确认定“举行淮海战役，甚为必要”。还预设了战役的三个阶段：歼灭黄百韬兵团于新安、运河之线，是为第一期作战；歼灭两淮、高邮、宝应之敌，是为第二期作战；歼灭海州、连云港、灌云地区之敌，是为第三期作战。[2]
从一天之内电报的密集程度，可窥这位伟大的统帅对“淮海战役”这一战略命题兴趣之浓与兴奋至极。
就这样，淮海战役的初步设想确定了下来。
但是这个设想还只是把战役范围定在徐州以东的苏北地区，寻歼对象主要是黄百韬兵团。史家后来称此为“小淮海”计划。
[1] 九纵政委刘浩天 。
[2] 《毛泽东军事文选》第五卷，军事科学出版社、中央文献出版社1993年12月版，第19页 。