具體過程簡化如下：
15日，兩廣縱隊等掃除長清西南地區敵保安部隊，並包圍了長清城。此時，王耀武判斷我軍主攻方向在西面，遂將其預備隊第19旅調至飛機場以西古城方向待機，將第57旅由張夏、崮山等地撤入市區，準備轉用於西郊。
16日午夜，我軍發起全線猛攻，經壹天激戰，西集團殲滅長清齊河守敵後迅速迫近濟南西郊。東集團壹舉攻克茂嶺山、硯池山及回龍嶺等制高點。王耀武又判斷我主攻方向在東面，急將第19、第57旅東調，並以第15旅及剛空運抵濟的整編第74師7個連，自七裏河方向向我反擊，另以壹部增援燕翅山，妄圖制止我軍的攻勢。隨後，又將飛機場以西的整編第2師之第211旅調入市區，以增強機動兵力。
17 日，蔣介石命令徐州“剿總”副總司令杜聿明指揮第2兵團準備經魯西南北援，第7、第13兵團分由新安鎮及固鎮地區向徐州集結，準備沿津浦路北攻。粟裕獲此情報後，當日即令攻城兵團繼續猛攻，令打援、阻援兵團迅速進入陣地，做好殲擊援敵的準備。我攻城東集團在炮火支援下，依托有利地形，不斷擊退敵之反沖擊，並乘勝攻克窯頭、甸柳莊等地。攻城西集團也繼續分路猛攻。
18日，攻克古城、玉皇山、簸箕山、黨家莊等地，並以炮火封鎖了濟南機場，迫使敵人中止空運。接著，我軍攻城兵團首長為擴大戰果，以攻城預備隊第13縱隊加入西集團作戰。
19日晚，敵整編第96軍軍長吳化文在我爭取下，率整編第84師等部3 個旅約2 萬人起義，撤離戰場。我軍趁勢猛攻，至20 日拂曉，占領商埠以西陣地。我軍的連續猛攻和吳化文部起義，打亂了敵人的防禦部署，動搖了敵人堅守濟南的信心，王耀武向統帥部請求突圍，但遭蔣介石嚴詞斥責，並令其堅決固守詩援。王耀武隨即調整部署，除留1 個營守千佛山，1 個團守馬鞍山，以3 個旅又1 個團守商埠外，將主力撤入城內。南線之敵3 個兵團，在蔣介石督令下，正分別向商丘、徐州集結中。
20 日，中央軍委指示：王耀武部可能突圍，應從各方面布置，不使漏網。同時指出：劉峙已令邱清泉兵團集結臨城待命援濟，應迅速集結打援兵團全力於鄒、膝地區，準備殲擊北援之敵。華東野戰軍首長隨即令攻城兵團迅速向商埠以東和城垣攻擊，並部署兵力防敵突圍逃跑。同時又詳細研究了徐州之敵北援情況，進壹步修訂了作戰方案，以便隨時迎擊援敵。攻城兵團首長依據軍委和粟裕的指示，決定以兩集團立即向商埠實施突擊，以東集團繼續肅清城外殘敵，積極進行攻城準備。黃昏，西集團經40 分鐘的炮火準備和連續爆破，即多路突入敵陣地。
22日中午，華東野戰軍三縱包圍了第二綏靖區司令部 。奉命堅守的74師172團團長劉炳昆。守軍頑強抵抗。華東野戰軍三縱八師師長王吉文親臨火線指揮，壯烈犧牲，年僅32歲 。當三縱沖上樓頂時，渾身是血、但仍抱著沖鋒槍指揮戰鬥的劉炳昆，抽出王耀武所贈的"中正劍"，刺向胸口 。攻城部隊，迫近濟南外城。至22 日午，完全占領商埠，汗敵兩萬余人。東集團也肅清了城東殘敵，直逼城下。我攻占商埠後，敵認為我需經三五天的準備才能攻城，因此，將3 個旅集中內城，以4 個旅圖置外城，積極加修工事，準備頑抗。
23 日，除個別據點外，攻占外城。退守內城之敵第15、第19、第57旅等部，妄圖依托高厚城墻和堅固工事，作垂死抵抗。蔣介石也下令空軍對我所占市區施行區域轟炸，投擲大量炸彈和燃燒彈，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。
24 日2時25分，第9縱隊第73團經過反復攻擊，終於攻占城東南角，拂曉時，縱隊主力與渤縱壹部，源源入城與守軍展開巷戰。第13縱隊第109團在已入城的兩個連接應下，亦於拂曉攻上城頭，主力及第3縱隊亦跟隨入城，向縱深發展攻擊。戰至21時，全殲守敵，濟南宣告解放。馬鞍山、千佛山守軍分別於25日、26日繳械投降。王耀武為我武裝俘獲。
至此濟南戰役以人民解放軍獲勝。