西集团13纵由城西南永绥门及其以北实施突击;10纵由城西普利门及永镇门、小北门实施突击。3纵集结商埠为预备队。
22 日晚，攻城兵团各突击部队在强大炮火掩护下，进行连续爆破，勇猛突击，经1 小时左右激战，分别突入外城，与敌展开激烈巷战。至23 日，除个别据点外，攻占外城。
退守内城之敌第15、第19、第57旅等部，妄图依托高厚城墙和坚固工事，作垂死抵抗。
蒋介石也下令空军对我所占市区施行区域轰炸，投掷大量**和***，使得商埠和外城大片民房被炸起火。居民死伤和财产损失甚重。南内城高8至12米，底宽10至11米，顶宽8至9米，并有上中下三层火力点。
我军为迅速彻底歼灭济南守军，决定即刻对内城发起总攻。以第9纵队、渤海纵队由东南方向，第3、第13纵队由西、西南方向实行突击。
23 日18 时，我军全部火炮均参加了火力准备。1小时后，各突击分队发起攻击。王耀武率其残部拼死抵抗。
19时53分，第9纵队第79团由东门南侧突破，一个多连登上城头，但因桥被守军打断，后续不继，血战1小时后，全部壮烈牺牲。
第13纵队第109团突上城头两个营，遭守军连续反击，经两小时激战，除有两个连突入城内，据守少数房屋坚持战斗外，大部伤亡，突破口为守军重占，其余部队的攻击亦未成功。
在此紧急情况下，许司令令各部重新调整部署，开展火线军事民主，严密组织炮火、爆破、突击三者的协同和后续部队的跟进。经过紧张、周密的准备后，于24日2时25分，第9纵队第73团经过反复攻击，终于攻占城东南角，拂晓时，纵队主力与渤纵一部，源源入城与守军展开巷战。
13纵109团在已入城的两个连接应下，亦于拂晓攻上城头，主力及3纵亦跟随突破口入城，向纵深发展攻击。战至当日21时，全歼守敌，济南宣告解放。
许世友以的“围而不攻”方式阻断的马鞍山、千佛山守军分别于25日、26日缴械投降。
王耀武化装逃至寿光县境，为我严密设防的华东军区地方武装俘获。
此次战役，敌共出动战斗机375 架次，轰炸机71 架次，战斗轰炸两用机50 架次，实行狂轰烂炸，另以运输机27 架次空运部队及物资，但终未能挽救济南守军的覆殁命运。
由徐州北援之敌，虽经蒋介石严令督促，但因解放军攻城迅速，至攻克济南时，其第2兵团前锋才进至城武、曹县地区，主力的第7、第13兵团尚未集结完毕。
粟裕用了两个月时间艰难组建的“阻援兵团”，始终一枪未放，实现了在山东休整的目标。
济南攻克后，菏泽、临沂、烟台等地守敌，慑于我解放军声威，纷纷弃城逃窜。山东境内除青岛及南部边沿少数据点尚为国民党占领外，其余全获解放。
在此期间，中原军区各部，例如粟裕任司令员豫皖苏的豫皖苏军区等，辗转活动于南阳、确山间及大洪山、桐柏山和许昌、漯河以西地区，有效地钳制了白崇禧集团各部，有力地策应了攻济作战。
华东各军区及以及冀鲁豫军区武装也积极向当面之敌发动进攻，计克沭阳、泗县、民权等城镇10余处，破铁路百余公里，截歼逃敌4700 余人，有力地配合了主力作战。而活捉王耀武的成功，正是华东军区全面动员的结果。
各接管机构和卫戌部队，紧随作战部队之后进入济南市区，进行接管和担任警备，作战部队也一面作战，一面协助接管和警备，在战火弥漫中，积极地抢救人民的生命财产，博得了各界人士的同声赞誉。
济南战役的顺利、迅猛、迅速，完全出乎蒋、毛的预料。蒋介石亲自乘飞机到济南上空观察后才敢确信济南已被攻克，而毛**也是从“中央社”的报道中才确信济南已被许世友所部解放。
1952年10月26日，毛**在建国后第一次来济南视察时，亲口对在场的许世友等山东党政军领导人说:济南战役打得那么迅速、彻底，天下恐怕只有两个人想不到，一个是本人毛**，一个是蒋介石。
华东人民解放军山东兵团经过8昼夜连续作战，以伤亡2.6万人为代价，共歼国民党军104290人(其中俘敌61870人，起义2万余人，毙伤23420人)，俘国民党军第2绥靖区司令官王耀武等高级将领23名，缴获各种炮800余门，坦克、装甲车20辆，汽车238辆，继掖县、莱阳、周村、潍县、兖州之后，继续大规模攻坚战。
而济南战役本身，则完全实现了军委确定的“此次战役，以攻克济南为主”的战略战役目标，开创了解放军夺取敌坚固设防和10万重兵据守的大城市的先例，进一步削弱了国民党军的士气，从根本上动摇了其据守大城市进行顽抗的信心，增强了解放军攻克敌坚固设防的大城市的信心。
时任台湾省主席兼台湾警备总司令，原国民党参谋总长陈诚在“回忆录”中写道:戡乱时期的剿共军事，以三十七（民国）年九月下旬济南的失陷(即济南战役)，作为一个转捩点。在此以前，可以说胜败之机，犹未大定，国军努力的机会，还有争取的可能。但在此以后，显然已成江河日下之势，狂澜既倒，无可挽回矣。......济南为山东心脏，济南一失，整个山东就全成了一块死棋，而打通津浦，连贯南北，遂全然绝望。......其在共军方面，既已掌握了山东，自可抽调山东的共军，转移使用于其他战场，于是无论东北、华北、华中，均将造成我军之力日消、敌军之力日长的趋势。
正如他所言，腾出手来的山东兵团得以按照5月份就确定的计划全部南下，与中原、苏北各部协同，在陇海路东段进行更大规模的歼灭战，逐次歼灭徐州地区的敌人。