9月中旬，陳際帆開始部署山東兵力。按照參謀部的作戰計劃，參與濟南戰役的部隊有：第一集團軍炮兵師，共裝備24門150mm榴彈炮,60門105mm榴彈炮。第七軍，總兵力4萬餘人，全軍增加了從第4師團繳獲的12門105榴彈炮、36門野炮和一些步兵炮，實力已經躍升爲國內最強的部隊之一。集團軍暫編獨立師，一萬五千餘人，輕裝。
上述三支部隊由於參加過大練兵，戰鬥力較強，爲攻打濟南的主力部隊。擔任牽制、佯攻的部隊爲榮子桓獨立旅、張步雲和厲文禮的混編旅。
吳化文第八軍四萬餘人調出進駐德縣至滄州一線。第一軍第二師沿津浦路向北，佔領滄州。第一軍第三師主力西進，佔領館陶、廣平，與湯恩伯在邯鄲的守軍互爲犄角。
第二軍休整完畢後，以三個師爲獨立作戰單位對日軍在冀中平原上所有的碉堡、崗樓、據點展開奔襲。以達到將日軍孤立於少數大城市的目的。
“神鷹”在華北的山東、河北兩省，不僅兵力佔有絕對優勢的，而且在火力、機動、後勤等方面也有無可比擬的優勢，只待收拾完苟延殘喘的濟南日軍，向冀中大舉進攻的日子就不會太遠了。
攻打濟南，不僅在於這是大反攻後第一個即將光復的省會城市，而且陳際帆使用的攻城步兵全部是所謂的地方雜牌。全國上下都在緊張的期待中關注着，但真正令所有人大跌眼鏡的，是“神鷹”尚處在幼稚中航空兵部隊。
胡玉峰在作戰計劃中堅持要航空兵參戰，理由很簡單，整個中國戰區日軍航空兵已經受損嚴重，而且濟南戰役自己這邊具有絕對優勢，正是航空兵鍛鍊的大好機會。
胡云峰有更充分的理由，他指揮的航空兵雖然還不具備和日軍飛機面對面格鬥的水平，但經過幾個月來的刻苦訓練，飛行員們的水平得到迅猛提升，在南方已經多次執行過江南地區的偵察任務，而且成功逼退過武漢過來的日軍飛機。更重要是，胡云峰希望用攻擊濟南這樣一個輝煌戰績作爲年輕的航空兵的起點，讓他們一開始就擁有驕傲的戰史。
陳際帆沒有理由不同意。擁有自己的航空兵對未來江南和東北的作戰有着巨大的意義，而且對地面上這些士氣不高缺乏訓練的雜牌部隊來說，他們加入“神鷹”的第一仗居然就是高技術條件下的空地協同作戰，這對部隊以後的訓練將帶來不可估量的意義。
9月13日凌晨，從安徽中部軍用機場起飛12架偵察機，12架驅逐機（P38）和6架中型轟炸機(B17)和兩架滿載燃油航彈的中型運輸機在美軍雷達的導航下趁夜秘密轉場徐州。
在和美軍航空兵協調的時候，美國人本來不大瞧得起中國人獨立進行空中作戰，但胡云峰堅持獨立作戰，謝絕了美國人的好意，並善意提醒他們，還是好好地策劃如何打擊日本本土和東海日軍航線爲好。
胡云峰親自坐鎮淮南指揮部，在參謀總部新建的空戰指揮中心親自協調美軍雷達和自己的航空兵之間的行動。濟南戰役與其說是陳際帆親自指揮，還不如說是強大的“神鷹”參謀部的功勞，因爲在陳際帆周旋于山東各方勢力之間的時候，參謀總部已經制定了詳細的作戰方案。
9月14日，航空兵偵察機完成偵察任務，確定日軍城外所有的工事佈防。
9月15日，濟南外圍攻堅開始。攻堅目標主要是城南以馬鞍山和千佛山制高點爲中心的防禦帶。從徐州機場飛來的六架轟炸機在驅逐機的護衛下飛抵日軍工事上空，對日軍防禦陣地進行不間斷的轟炸。
日軍的地雷陣、地堡羣、鐵絲網和士兵交通壕瞬間成了一片火海，劇烈的爆炸聲中各種明碉暗堡紛紛粉碎上天。來自天上的攻擊讓日軍的士氣受到毀滅性打擊，本來他們的兵力就不多，現在對手居然還能湊出飛機對他們的陣地進行狂轟濫炸，這讓鬼子趕到一陣絕望。
絕望還沒有完，因爲轟炸機不斷盤旋、俯衝之後驅逐機也加入對地攻擊的戰團，飛機員們乾脆把用來打飛機的航炮全部用於地面攻擊，隨着驅逐機在離地面不遠處飛過，暴露在陣地表面的日軍被打成一團團碎肉。
“攻擊順利！請求返航！”飛行中隊向胡云峰發出請求。
“立即返航！”
胡云峰不敢讓這些飛機太瘋狂，因爲附近日軍同樣也有飛機。
空中攻擊剛剛結束，地面炮兵也不甘寂寞，一百多門榴彈炮集中火力在千佛山南不到五公里處預設炮兵陣地，將一枚枚大口徑高爆彈和燃燒彈全部送到日軍外圍陣地上。
兩個主峰高地和中間無數個胡成體系又獨立支撐的工事瞬間變成廢墟，暴露在表面陣地上的守軍無一倖免。強大的氣浪衝擊下，很多鬼子即使沒有被炸死，也在瞬間喪失了戰鬥力---被炸傻了！
沒有槍聲，空氣中傳來的就是如悶雷般的巨響，從望遠鏡裡看去，高地上綻開這一朵朵絢麗的死亡之花，每一枚炮彈砸下去，都會讓平靜的地面開始燦爛的景緻。每一枚炮彈落下，都會讓原本看似堅固的工事變成一團塵土。
整整半個小時的炮火，幾乎將城南的工事犁了一遍，留下了無數個帶着硝煙和火光的彈坑。千佛山上日軍表面工事全部被摧毀，下午三點左右，已經提前進入陣地的第七軍21師開始向千佛山陣地發起猛攻。
千佛山是濟南南邊的制高點，也是南門的屏障，失去千佛山，南門將直接暴露在攻擊方炮火打擊之下，所以日軍在這裡安排了27師團第1聯隊駐守，兵力約3000人（前一段有戰損）。配備了輕型戰車、12門九二式步兵炮和無數重機槍。
日軍在濟南經營多年，千佛山上的工事自然也可稱得上固若金湯。除了表面工事外，日軍還在反斜面修築坑道，利用山體修築大量隱蔽在山上的地堡羣。每一個地堡羣平均有兩挺機槍，地堡羣之間形成交叉火力，幾乎沒有留下射擊死角。
21師是第七軍的絕對主力，不過，這種攻堅還是第一次。21師上下做了廣泛的戰前動員，每一個排都增加了爆破組和炮兵觀察員。這種攻堅與其說是靠衝鋒，還不如說是靠優良的土工作業和爆破。
果不其然，21師突前的主力團剛剛進入日軍射程範圍，就遭到地堡火力的兇猛壓制。部隊利用擲彈筒等予以還擊後，掩護爆破組上前實施爆破。
越往上，日軍兵力也越多，21師投入的一個營衝上陣地後，忽然招致敵人明暗火力點的多重射擊，幾十挺機槍發瘋似的掃過後，這個營受到重創，正副營長橫屍山頭。最後只有不到一個連的兵力撤了下來。
第一波攻擊宣告失敗，情況立刻引起了第七軍軍長於學忠的高度重視，于學忠當即請求炮兵支援，在炮兵的掩護下繼續展開衝擊。但是很遺憾，兩個營的兵力衝上去後不但找不到目標，反而被日軍火力大量殺傷。
陳際帆大怒！不是對第七軍的攻擊不滿意，因爲他知道第七軍在空地火力協同兩次攻擊損兵折將肯定是有原因的。果不其然，日軍在千佛山根本不像以前那樣依託表面陣地和對手周旋,而是將兵力全部隱蔽於地下，用鋼筋水泥構築多個大小地堡、地堡之間還有交通壕相連。
爆破部隊要付出巨大傷亡才能完成一次爆破。
鬼子什麼時候變得這麼聰明瞭？陳際帆這纔想起來，太平洋戰爭爆發到現在，日軍一定是將太平洋上對付美軍那一套搬到濟南來了，媽的！
陳際帆馬上要通於學忠，改變戰術，不要一味衝擊主峰陣地，命令各團組織精幹兵力對面前最近的日軍火力點逐個偵察，並且大膽使用爆破層層清除。陳際帆說，我不給你設定時間界限，但是我要看到進展。
于學忠本來以爲區區千佛山陣地日軍只有3000人，己方又有火炮飛機助戰，一個師一萬多人拿下陣地應該沒有問題，誰知道竟然受挫。
于學忠急忙向攻擊西邊馬鞍山高地的23師下令調整戰術，以22師爲預備隊，分頭策應兩個師的攻堅。
戰術改變後，進展變得非常緩慢，但是卓有成效。千佛山畢竟不太大，而且也不算陡。炮兵奉命向山頂開炮以牽制日軍，山下21師分成多個小組開始進行爆破。這下日軍傻眼了，因爲山上只能眼睜睜地看着下面的中國軍隊將自己的地堡羣逐一送上天。
日軍在炮火間歇之時也曾組織小部隊在步兵炮的掩護下向山下進行反突擊，不過，在中國軍隊強大的火力面前基本上等於送死。拼命衝鋒的日軍部隊立刻招致炮火覆蓋，還沒有衝到山下就被消滅得差不多。
于學忠部用幾百士兵的生命學會了一種全新的陣地攻堅方式，而總指揮陳際帆也也打起十二分精神開始指揮戰鬥更弱的新編部隊向濟南其他方向展開外圍攻堅。
獨立師自從加入“神鷹”後，還從來沒有經歷過什麼像樣的戰役，師長蕭健九和參謀長魏鳳韶兩人聯名上書請戰。陳際帆也想看看這個輕裝步兵師經過大練兵，是不是真正有戰鬥力，於是爽快地命令他們指揮全師主攻濟南東門。
其餘幾支部隊是免不了的，雖然他們對攻堅還有畏懼。幸好總司令沒有讓他們當炮灰，但是嚴令，必須配合友鄰部隊包圍濟南，並且不分白天黑夜盯緊城內日軍，放跑一個軍法從事！
外圍戰鬥一直持續到9月16日上午才宣告結束，南門外所有制高點全部拿下，守衛的第1聯隊3000餘人在“神鷹”地空火力和逐次爆破之下全軍覆沒。“神鷹”指揮的十萬部隊順利抵達濟南城下。
陳際帆把攻擊重點放在城南和城東後，命令炮兵師東移，作爲獨立師的支援火力協助獨立師打掃東門外的日軍防禦陣地。
日軍在15日一個整天的戰鬥中不僅失去了濟南南邊的重要屏障和北邊的黃河大橋，而且一個聯隊全軍覆沒，使本來就不富裕的兵力雪上加霜。更嚴峻的是，第七軍佔領千佛山以後將野炮拆卸下來分批運上山頂組裝，變成了直接瞄準南門的炮兵陣地。
城東的防禦支撐點也在9月16日這一天遭到“神鷹”的強大攻擊，日軍不明白，爲什麼對手不採取痛快點的總攻，而是東一榔頭西一棒子地零敲碎打，讓自己摸不清對手的真實意圖。
日軍在陳際帆手上吃的虧實在是太多了，面對中國人這種違反教科書的攻堅戰術，從12軍司令官到各師團旅團長都被迷惑，沒敢輕舉妄動。要知道在對手擁有偵察機的情況下大規模的調兵遣將不僅容易造成混亂，而且極易被對手偵察，從而暴露位置。
守衛在城東開闊地上的是27師團第2聯隊3000餘人，這裡地勢開闊，全憑各種戰壕鐵絲網和地面上的碉堡羣作爲防禦支撐。這樣的防禦對付缺乏輕武器的中國軍隊，絕對稱得上固若金湯，但是在強大的“神鷹”空地火力的雙重打擊下，基本等於送死。
所以獨立師在城東外圍的攻擊非常順利，防禦的第2聯隊沒有多少迴旋餘地，被炮兵師所有的重榴彈炮集羣攻擊，短短几個小時就被大量殺傷。其守衛的的陣地在如此密集和強大的炮火面前猶如紙糊一般。
但是日軍並不甘心，華北派遣軍司令部雖然無法再抽調一兵一卒增援濟南，但爲了提升守軍士氣，還是決定派出一個驅逐機中隊和一個轟炸機中隊的飛機從北平、保定機場飛過來。
很可惜，日軍飛機剛一起飛就被雷達鎖定目標，美國人很快將日軍飛機的所有飛行數據全部報告給前沿的徐州機場，美軍第十航空隊和“神鷹”年輕的航空兵接到指令後迅速起飛，在河北上空輕而易舉地打了鬼子飛機一個漂亮的伏擊。
日軍飛機氣勢洶洶飛到河北衡水至德縣上空時，忽然被早就埋伏在雲層裡的中美聯合航空隊50多架戰鬥機從後方俯衝下來，猝不及防之下，當場被擊落8架轟炸機和5架戰鬥機。
緊接着雙方在空中展開激烈的空中格鬥，而“神鷹”航空兵採取的是後世雙機編隊，大大彌補了飛機性能和飛行員技術的不足。日軍航空兵雖然英勇，技術也不賴，無奈寡不敵衆，又被擊落了11架後悻悻返航。
中美聯合航空隊終於在空戰中憑藉自身實力奪得了制空權，意味着以後日軍的日子將越來越難過。
其實要不了以後，就在9月16日下午的戰鬥中，日軍濟南東門外已經滿目瘡痍，第2聯隊還沒見到中國攻擊部隊就已經傷亡慘重。好不容易等到炮火延伸，1000多人的兵力在重機槍等火力點全部被毀的情況下根本擋不住獨立師兩個團6000多人的洶涌進攻。
下午兩點，濟南城東外圍全部肅清，第2聯隊殘兵敗將撤進城內。
國內矚目的濟南攻堅沒有想象中這麼熱鬧，陳際帆似乎並不給予投入所有部隊給日軍致命一擊。行家們在猜測，是不是因爲陳際帆手裡沒有稱手的部隊而不敢發動進攻，或是陳際帆還有什麼高招沒有祭出來。
陳際帆確實是有些不放心，但是他不能當着部下的面表達出來。所以他用了一天的時間讓參與攻堅的兩支主力部隊在火線親自感受日軍的防禦威力，也讓他們感受一下有空地火力協同下的防禦作戰應該如何。
至於攻擊濟南，陳際帆打算用榮子桓的一個旅繞到北面，咬住守衛北門城外的獨立混成第8旅團一個步兵大隊，並且負責黃河大橋的防守，以張步雲和厲文禮的三個團作爲預備隊，由他親自指揮守在西門外以逸待勞。
陳際帆沒有四面圍城，而是集中最大的兵力攻擊濟南城南和城東，第七軍一旦突破南門，立即組織一個師的兵力搶佔城內所有的建築制高點，和敵人逐街逐巷爭奪，再以一個師的兵力沿城牆肅清西門後，將日軍壓縮在城東予以殲滅。
這個戰術是爲了避免巷戰而做出的，如果四面攻擊，日軍勢必會層層抵抗，並且憑藉巷戰工事抵抗，這樣一來，自己手裡這些菜鳥部隊勢必傷亡慘重，而且對濟南城的破壞也相當嚴重。
果不其然，下午5點總攻發起後，日軍很快判明中國軍隊的進攻方向。馬上調集59師團三個步兵大隊增援南門，又調集其餘五個步兵大隊增援東門。把守西門的只有兩個步兵大隊，而獨立混成第8旅團此刻被牢牢拴在北門。
雖然在戰前陳際帆放出話，所有部隊不得放走日軍一兵一卒突圍，實際上他知道日軍根本不可能放棄堅城突圍，因爲周邊沒有日軍任何部隊接應，即使突出去，最終也難避免被全殲於黃河岸邊。
攻破南門已經沒有任何懸念，因爲在千佛山上就是用肉眼都能將城牆上的日軍看得清清楚楚，不要說第七軍有榴彈炮野炮，此刻用小鋼炮都能準確無誤砸中日軍的任何一個火力點。
于學忠在千佛山上將日軍的增援看得清清楚楚，他輕蔑地笑一聲，命令炮兵向城內日軍任何一個集結地猛烈射擊，封鎖日軍任何增援通道。
中國軍隊的第二次城市攻堅戰打得雖然激烈，但是非常順手，第七軍炮兵砸完成內後，又將大大小小的炮彈全部送到城牆上。可憐日軍連中國軍隊一次完整的衝鋒都沒見到就死傷慘重。
前線的官兵看到城牆上此起彼伏的爆炸和漫天紛飛的磚頭碎石木屑，一個個既欣喜又不解，在他們印象中攻堅戰不是這樣的。以前的攻擊戰特別是攻擊涿州，炮火準備後，當官的肯定要組織敢死隊，然後將白花花的大洋挑在陣地上來，後面就是督戰隊，後退一步肯定被打成蜂窩。接下來就是冒死衝鋒，僥倖活下來的算是命大，接着衝鋒直到倒下爲止。就是這樣，打了三個月，火力全佔優勢的東北軍愣是沒攻下傅作義鎮守的涿州城。那一戰成全了傅作義，也讓東北軍丟盡了臉。
不過，現在這些出身東北軍的將士們全懵了。長官既沒有組織敢死隊衝鋒，後面更沒有督戰隊，而是讓部隊慢慢接近觀察炮兵兄弟們的表演。更絕的是，總司令在戰前還親自交代，遇到敵人兇狠火力點的時候，各級指揮員應該動用自己可以呼叫的任何火力支援，切記不要拿士兵不顧生死往上衝。
原來仗還可以這麼打！這是第七軍自師長以下官兵們的共同感受，這種打法並不激烈，可招招都能打在鬼子的要害上。步兵衝鋒發起後，擔任主攻的23師根本沒有遭受什麼像樣的抵抗就接近護城河，然後從容架橋渡河。此刻的城牆守軍那還顧得上收拾攻擊部隊，他們被炮火炸得找不到北，城牆上被炸斷多處，就連增援都不可能。
23師先頭部隊一個連率先渡河接近城門後用炸藥包對城門進行連續爆破，終於將城門炸得稀巴爛，這個連接着以最兇猛的火力掩護着後續部隊過河。
隨着大批中國軍隊從南門涌進城內，鬼子的城南防線宣告崩潰。除了滯留在城牆上的鬼子還在居高臨下射擊外，鬼子的主力被迫在南門附近依託街壘和殘垣斷壁抵抗。但是23師步兵火力也不弱，他們同樣裝備有鬼子製造的輕重機槍和擲彈筒，而且和鬼子一樣能將這些玩意玩得爐火純青。從城門涌進的23師士兵成建制向兩翼展開，有的冒死登城和城牆、城樓上的鬼子對射，更多佔領街道陣地向鬼子發起連續進攻。
21師跟着進城後，迅速沿城牆根向西門攻擊前進。而日軍知曉陳際帆的攻擊習慣，以爲南門失陷後陳際帆一定要集中最精銳的兵力向中央突擊，這是他一貫的老套路。所以鬼子在中路集中了大量兵力依託每一條街道頑強抵抗。
誰知道中國軍隊大量進城後並未如他們所願，而是以一個師的兵力和中路日軍周旋，掩護一個師向西門迂迴攻擊，以另一個師從側翼突破，和日軍爭奪濟南城每一條街道，每一座房屋。
12軍司令官土橋中將心急如焚，59師團被幾萬支那軍隊牽制在城南，而東邊被中國軍隊步炮協同火力打得節節敗退，東門岌岌可危。
從上方俯瞰濟南城，處處是硝煙，處處是不斷爆炸產生的火光，槍炮聲不絕於耳。地面上雙方士兵攪在一起，用手中所有能夠射擊的兵器向敵人猛烈射擊。
南門至西門的牆根下，第七軍21師組織三路縱隊，以輕機槍手榴彈開路一直殺向西門。西門守軍爲59師團兩個步兵大隊，在南門和東門打得熱火朝天的時候，西門卻沒有多大動靜，可他們兵力不足，根本不敢輕舉妄動，甚至連基本的反突擊都不敢實施，只能嚴陣以待。
可他們迎來的卻是一萬多分成三路攻擊的部隊，面對如潮水般涌來的中國軍隊，59師團這些士兵們雖不致慌亂，可對手一上來就展開最兇猛的火力，而且利用人多的優勢迅速完成兩翼包抄。
日軍的輕重機槍從城牆上下吐出瘋狂的火焰，不過21師的突前部隊也沒有束手待斃。他們按照訓練要求，在前沿迅速調集擲彈筒對日軍火力進行覆蓋。不僅如此，城牆附近的屋頂也在中國軍隊潮水般的攻擊下紛紛失陷，佔據制高點的21師調集了數挺輕機槍居高臨下壓制牆根的日軍。
不過，城牆上的日軍火力還是對攻擊部隊造成嚴重威脅，21師付出巨大傷亡後終於佔領城門，開始強行登城。
自總攻開始後一直打到天黑，然後又打到深夜，濟南城內火光沖天，西門完全被佔領，日軍主力在依託市中心，在其他三個方向上仍然負隅頑抗。中國軍隊已經從西面和南面兩個方向向市中心攻擊，其中21師還不忘記派出一個團向北門迂迴，割裂北門和市中心的聯繫。
黑夜降臨，陳際帆果斷下令突入城內的部隊勇猛穿插，將日軍儘可能分割成小塊，並將其逐漸往東壓縮，然後自己親率西門外的部隊進城建立指揮部突前指揮。
雖然部隊在重炮協助下首先突入堅城，但形勢仍不容樂觀，日軍兵力應該還有兩萬多，而且其主力還在憑藉城內複雜的地形頑抗，黑夜裡巷戰變得非常困難。傷亡數字不斷攀升，是到了重新組織兵力的時候了。