西集團13縱由城西南永綏門及其以北實施突擊;10縱由城西普利門及永鎮門、小北門實施突擊。3縱集結商埠爲預備隊。
22 日晚，攻城兵團各突擊部隊在強大炮火掩護下，進行連續爆破，勇猛突擊，經1 小時左右激戰，分別突入外城，與敵展開激烈巷戰。至23 日，除個別據點外，攻佔外城。
退守內城之敵第15、第19、第57旅等部，妄圖依託高厚城牆和堅固工事，作垂死抵抗。
蔣介石也下令空軍對我所佔市區施行區域轟炸，投擲大量**和***，使得商埠和外城大片民房被炸起火。居民死傷和財產損失甚重。南內城高8至12米，底寬10至11米，頂寬8至9米，並有上中下三層火力點。
我軍爲迅速徹底殲滅濟南守軍，決定即刻對內城發起總攻。以第9縱隊、渤海縱隊由東南方向，第3、第13縱隊由西、西南方向實行突擊。
23 日18 時，我軍全部火炮均參加了火力準備。1小時後，各突擊分隊發起攻擊。王耀武率其殘部拼死抵抗。
19時53分，第9縱隊第79團由東門南側突破，一個多連登上城頭，但因橋被守軍打斷，後續不繼，血戰1小時後，全部壯烈犧牲。
第13縱隊第109團突上城頭兩個營，遭守軍連續反擊，經兩小時激戰，除有兩個連突入城內，據守少數房屋堅持戰鬥外，大部傷亡，突破口爲守軍重佔，其餘部隊的攻擊亦未成功。
在此緊急情況下，許司令令各部重新調整部署，開展火線軍事民主，嚴密組織炮火、爆破、突擊三者的協同和後續部隊的跟進。經過緊張、周密的準備後，於24日2時25分，第9縱隊第73團經過反覆攻擊，終於攻佔城東南角，拂曉時，縱隊主力與渤縱一部，源源入城與守軍展開巷戰。
13縱109團在已入城的兩個連接應下，亦於拂曉攻上城頭，主力及3縱亦跟隨突破口入城，向縱深發展攻擊。戰至當日21時，全殲守敵，濟南宣告解放。
許世友以的“圍而不攻”方式阻斷的馬鞍山、千佛山守軍分別於25日、26日繳械投降。
王耀武化裝逃至壽光縣境，爲我嚴密設防的華東軍區地方武裝俘獲。
此次戰役，敵共出動戰鬥機375 架次，轟炸機71 架次，戰鬥轟炸兩用機50 架次，實行狂轟爛炸，另以運輸機27 架次空運部隊及物資，但終未能挽救濟南守軍的覆歿命運。
由徐州北援之敵，雖經蔣介石嚴令督促，但因解放軍攻城迅速，至攻克濟南時，其第2兵團前鋒才進至城武、曹縣地區，主力的第7、第13兵團尚未集結完畢。
粟裕用了兩個月時間艱難組建的“阻援兵團”，始終一槍未放，實現了在山東休整的目標。
濟南攻克後，菏澤、臨沂、煙臺等地守敵，懾於我解放軍聲威，紛紛棄城逃竄。山東境內除青島及南部邊沿少數據點尚爲國民黨佔領外，其餘全獲解放。
在此期間，中原軍區各部，例如粟裕任司令員豫皖蘇的豫皖蘇軍區等，輾轉活動於南陽、確山間及大洪山、桐柏山和許昌、漯河以西地區，有效地鉗制了白崇禧集團各部，有力地策應了攻濟作戰。
華東各軍區及以及冀魯豫軍區武裝也積極向當面之敵發動進攻，計克沭陽、泗縣、民權等城鎮10餘處，破鐵路百餘公里，截殲逃敵4700 餘人，有力地配合了主力作戰。而活捉王耀武的成功，正是華東軍區全面動員的結果。
各接管機構和衛戌部隊，緊隨作戰部隊之後進入濟南市區，進行接管和擔任警備，作戰部隊也一面作戰，一面協助接管和警備，在戰火瀰漫中，積極地搶救人民的生命財產，博得了各界人士的同聲讚譽。
濟南戰役的順利、迅猛、迅速，完全出乎蔣、毛的預料。蔣介石親自乘飛機到濟南上空觀察後纔敢確信濟南已被攻克，而毛**也是從“中央社”的報道中才確信濟南已被許世友所部解放。
1952年10月26日，毛**在建國後第一次來濟南視察時，親口對在場的許世友等山東黨政軍領導人說:濟南戰役打得那麼迅速、徹底，天下恐怕只有兩個人想不到，一個是本人毛**，一個是蔣介石。
華東人民解放軍山東兵團經過8晝夜連續作戰，以傷亡2.6萬人爲代價，共殲國民黨軍104290人(其中俘敵61870人，起義2萬餘人，斃傷23420人)，俘國民黨軍第2綏靖區司令官王耀武等高級將領23名，繳獲各種炮800餘門，坦克、裝甲車20輛，汽車238輛，繼掖縣、萊陽、周村、濰縣、兗州之後，繼續大規模攻堅戰。
而濟南戰役本身，則完全實現了軍委確定的“此次戰役，以攻克濟南爲主”的戰略戰役目標，開創瞭解放軍奪取敵堅固設防和10萬重兵據守的大城市的先例，進一步削弱了國民黨軍的士氣，從根本上動搖了其據守大城市進行頑抗的信心，增強了解放軍攻克敵堅固設防的大城市的信心。
時任臺灣省主席兼臺灣警備總司令，原國民黨參謀總長陳誠在“回憶錄”中寫道:戡亂時期的剿共軍事，以三十七（民國）年九月下旬濟南的失陷(即濟南戰役)，作爲一個轉捩點。在此以前，可以說勝敗之機，猶未大定，國軍努力的機會，還有爭取的可能。但在此以後，顯然已成江河日下之勢，狂瀾既倒，無可挽回矣。......濟南爲山東心臟，濟南一失，整個山東就全成了一塊死棋，而打通津浦，連貫南北，遂全然絕望。......其在共軍方面，既已掌握了山東，自可抽調山東的共軍，轉移使用於其他戰場，於是無論東北、華北、華中，均將造成我軍之力日消、敵軍之力日長的趨勢。
正如他所言，騰出手來的山東兵團得以按照5月份就確定的計劃全部南下，與中原、蘇北各部協同，在隴海路東段進行更大規模的殲滅戰，逐次殲滅徐州地區的敵人。