，请求突围。南京方面很快回电，要王耀武退守旧城，仿照去年陈明仁守四平的办法，死守济南。19日夜里吴化文部移交阵地后，华野三纵、十三纵迅速接近商埠。与国民党军争夺一座又一座大楼。三纵8师师长王吉文身先士卒，督促部队迅速前进，不幸被炮弹击中牺牲。22日拂晓，三纵9师突击“绥靖区”司令部以西的银行大楼。国民党军居高临下猛烈扫射，解放军不顾伤亡，以爆破开路，前赴后继，终于占领了银行大楼。随后，突击部队从两面包围了王耀武的“绥靖区”司令部大楼（原德国领事馆），国民党军六百多人在这座混凝土三层楼房内拼死顽抗。不断从楼里往外扔手榴弹，战斗中有人伤亡，活着的士兵就把死尸从窗子扔出来。9师把大炮推到楼前抵近射击，突击队在炮火掩护下连续爆破。将大楼里面炸开一个个缺口，后续部队冲进大楼，与国民党军展开逐屋争夺，战斗到黄昏结束。当晚，商埠被解放军完全占领。
20日，济南东郊国民党军放弃黄台山、全福庄、洪家楼等外围阵地，向城里收缩。我军步步紧逼。这时，东郊还有两大据点：一个是历城，一个是千佛山。历城据点位于王舍人庄北，守卫的是保安部队一千五百多人。这些人原来都是伪军和土匪，凭借外壕、碉堡、鹿砦构成的坚固工事，死命顽抗。聂风智得知历城战斗的情况后，指示留下两个团围困历城，主力绕过历城，直接向济南城推进。这时，千佛山还有国民党军一个营把守。是先攻城，还是先攻千佛山？有人担心绕过千佛山直接攻城，可能腹背受敌。聂凤智认为千佛山国民党守军孤立无援，不敢贸然出击。决心置千佛山于不顾，抓紧时机攻击外城。许世友完全同意东兵团的部署。
商埠被解放军占领后，王耀武还有四个旅集结于外城和内城。他判断解放军可能要休整三天才能攻城。为了不给济南城内国民党军调整部署和加强工事的空隙，许世友、谭震林决心连续进攻。22日黄昏，东、西集团同时向济南外城发起攻击。九纵25师进攻东面的永固门。聂凤智调来4辆坦克协同作战。这些坦克是15吨重的美式轻型坦克，鲁南战役中从国民党军快速纵队缴获的，性能良好。王耀武只有12辆日式坦克，还不如解放军的坦克好。当坦克怒吼着向国民党军阵地冲去时，对方目瞪口呆，有的高喊：“别误会！”有的从工事里爬出，调头往城里跑。经过一个半小时的战斗，永固门外国民党军工事基本被摧毁，跟进的战士一拥而上冲进城内。西兵团的十纵占领火车站和天桥后，也突破了普利门。十三纵攻占外城西南最坚固的建筑群——红万字会（今山东省博物馆），盘踞在齐鲁大学的国民党军被十三纵包围缴械。22日夜，九纵与十三纵会师，攻击外城的战斗仅用了一天。
这时，王耀武只剩下最后一道防线——济南内城。他不断向南京和徐州方面呼救，蒋介石焦急万分，一面严厉督促杜聿明率邱清泉、黄百韬兵团北上，一面命令空军司令周至柔出动空军轰炸。23日白天，国民党空军轰炸机对济南商埠、外城狂轰滥炸，许多民房建筑被炸塌起火，无辜百姓惨遭杀害。这天上午，徐州“剿总”总司令刘峙在空军副总司令王叔铭陪同下飞临济南上空，与王耀武通话。刘峙说：“你们的困难我知道，援军进展很快，几天就可以到济南。你们必须坚守待援。需要什么可以空投。”
国民党的援军在哪里呢？按照杜聿明的计划，他打算在济南作战开始五天后——当共军强攻济南不下，受到重大伤亡，攻势减弱之后再率军北上解围。并以声东击西的办法，扬言从津浦路北上，实际从微山湖以西北上，以邱清泉兵团为先锋，冲开共军防线。但是济南战役刚开始，蒋介石就发觉形势不妙，严令杜聿明迅速北上增援。杜聿明匆忙集结部队，命令邱清泉兵团自商丘北上，黄百韬、李弥兵团自徐州北上。偏偏又赶上阴雨天气，部队前进缓慢，一天只走20公里。
在粟裕指挥下，华野主力在兖州、邹县地区严阵以待，准备打援。邱清泉等得知华野主力集结的消息，深知北上凶多吉少，有意拖延，济南战役结束时，邱清泉兵团才到达城武、曹县一带，未与解放军接触即迅速后撤。有人认为粟裕把敌情估计得过于严重，预定的阻援计划实际上没有实施，济南就解放了。粟裕认为：“虽然，在豫东战役中，我军一度攻克当时河南省会开封，但是，济南守城的兵力和构筑的工事，都比开封为强，打这样坚固设防的省会，我们还是第一次。毛泽东同志以攻打临汾费去72天的事实，告诫我们谨慎从事，这是正确的、必要的。尤其是战略决战即将到来的关键时刻，攻济能否成功，与战略决战关系很大。从一定意义上来说，这次是战略决战阶段的序幕，必须谨慎从事。在以往攻城失败战例中，有些是正当守敌已经精疲力竭，再经受不住最后一击之际，可是各路援敌已蜂拥而至，我军背后受敌，以致只得被迫撤围，这种‘为山九仞，功亏一篑’的事情，决不允许在战略决战即将到来的时刻重演。必须谨慎从事，以最坏情况作根本的出发点。徐州地区的敌人正是慑于我军打援集团兵力强大，才不敢贸然进犯。敌人增援部队不敢前来，正说明军委、毛泽东同志攻济打援方针的正确。”
解放军攻占外城后，连日作战已十分疲劳。许世友决定不给王耀武以喘息之机，连续作战。指示九纵由东南角攻击，十三纵由西南角攻击。九纵担任主攻的是73团，济南内城城墙有14米高，城墙上有三层火力网，东南角城墙上有一坚固建筑物——气象台，是全城的制高点。护城河宽5米，水深2米。大家看了地形，都感觉从这里突破十分困难。可是这里护城河比较窄，便于架桥。一旦登上城墙，占领气象台，就可以控制全城。
23日18时开始炮火准备。一小时后，突击队开始行动。王耀武的主力部队以密集火力封锁和反突击顽强抵抗。前两次攻城都失利了，而且造成73团重大伤亡。聂凤智调整了部署。24日凌晨1时30分，九纵的全部炮火向内城东南角猛轰。73团7连突击队迅速登城。第一突击组刚登上梯子，就受到城上侧面火力的射击，大部伤亡。这时，2班长李永江奋不顾身，率领全班再次登城。云梯比城墙矮了一截，李永江扒住墙砖，飞身跃上城头。占领了气象台，控制了制高点。当7连全部上去后，国民党军开始反击。伤亡过半的7连与数倍的国民党军殊死搏斗。在这千钧一发之际，8连、9连也登上城墙，投入战斗。73团经过三小时的战斗，终于巩固了东南角突破口。
与此同时，十三纵攻击济南内城西南角的坤顺门。37师109团于19时10分登城，首先突破。国民党军实行猛烈的反击，企图封闭突破口。109团大部分牺牲在城墙上。面对不利形势，110团在炮火支援下奋力登城，城墙突破口处到处是牺牲的我军战士和敌军的尸体，他们来不及搬运，踩着尸体向上冲。经过四个小时的战斗，到24日拂晓，37师控制了坤顺门近100米长的城墙，实现了突破。九纵、十三纵像两把尖刀，冲开了王耀武的最后防线，插入了济南内城。
九纵73团和十三纵109团的英勇战斗，为济南战役的最后胜利开辟了道路。战役结束后，73团打得仅剩三个连，109团也是“建制破坏甚大”，十三纵37师师长高锐也在战斗中负伤。为了表彰九纵73团和十三纵109团的功绩，山东兵团首长于1948年10月10日颁布嘉奖令，授予73团“济南第一团”，109团“济南第二团”的光荣称号。建国后济南进行城市改造，拆除了旧城墙。惟独保留了73团战斗过的内城东南角，并在气象台的旧址上建起一座雄伟的建筑。陈毅元帅亲笔题名“解放阁”，以纪念济南战役中的英雄们。
9月24日晨，济南城内的国民党军陷入一片混乱之中。王耀武在大明湖的北极阁指挥部里，和各旅的通讯联络都已中断。解放军四个纵队与国民党军展开巷战，向大明湖畔的国民党山东省政府逼近。眼看大势已去，王耀武把指挥权交代给参谋长罗辛理，自己带领卫兵于11时由北极阁通往城外的坑道向北突围逃跑。
在内城最后的战斗中，面对丧失斗志、慌乱逃窜的国民党军，解放军的政治攻势发挥巨大作用。在战前兵团政治部就指示各纵队，对战斗中俘虏的国民党士兵，要实行“边打边补充”的政策，动员他们就地调转枪口。把俘虏立刻补充进部队，省去了看俘虏的人员，解放军越打人越多，越打士气越旺盛。一个指导员说：“当时补充了一个小伙子，经过简单的教育后，他便告诉我们敌人的警备司令部在哪里，从哪里打合适，里面的兵力布置等，给我们的指挥以很大的便利。”渤海纵队攻入东关后，在围墙外壕捉到一个班的俘虏。这些人原是挖战壕的，战斗打响后国民党军关闭了围墙出口，把这一班人扔在外边不管了。他们只好在散兵坑里躲避两边的炮火，渤海纵队攻上来，他们就缴了枪。解放军马上把这些俘虏补充到各班参加战斗。24日攻进内城后，国民党败兵满街道乱逃。这些刚解放的战士到处喊话，宣传政策。这对瓦解国民党军斗志，迅速解决战斗起到了极大作用。
24日14时，解放军四面包围了国民党山东省政府。在省府地下室的国民党第二绥靖区参谋长罗辛理等绝望之下，派人出来接洽投降。黄昏时，内城战斗结束。城外马鞍山、千佛山的守军也于26日放下武器。历时八天的济南战役结束。
9月22日战斗尚未结束，毛泽东就指示华野首长：“为预先准备在我军攻入城内王耀武率其死党突围而出分路逃窜时全歼该敌勿使漏网起见，你们应在其主要逃路及次要逃路，近距离及远距离布�