，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，近距离及远距离布置多层堵击力量。”＇2＇23日，华东局书记饶漱石命令鲁中、渤海各分区的地方部队、干部、民兵在济南外围的各交通要道布置警戒，搜捕王耀武和外逃的国民党残兵。9月28日早晨，寿光县委机关驻地屯田村民兵刘金光等三人正在值勤，从西边公路上来了两辆大车，车上坐着五男二女。民兵查问他们的来历，说是济南逃难出来的。化名乔坤的王耀武躺在车上装病，用白毛巾盖头，棉被遮身。民兵见他们说话不是济南口音，形迹可疑，便将他们扣留，送到县公安
王耀武被俘局。审讯干事王洪涛挨个盘问，见王耀武脸的上部皮肤很白，很像戴军帽的痕迹，于是认真盘问起来。王耀武自称开饭馆，却说不出饭馆的字号。与其他人的关系，口径也不一致。到下午提审时，王耀武表情恐惧，态度失常，刚问了几句，他就说：“我已经到了这个地步，干脆就说了实话吧。我是王耀武呀！我要找县长谈谈。”听说捉住了王耀武，张县长马上赶来。王耀武交代：24日中午他从济南北门出城后，在外围的一道工事里隐蔽到天黑。当夜下雨，他们在村子里化装成商人，25日走到周村。在周村雇了大车，27日到益都，当夜赶路想逃往青岛，没想到28日一早就被抓住。此后，王耀武被送到华东局驻地，又转至华东军区高级军官教导团。
济南战役，华野全歼国民党军第二绥靖区司令部及其所属部队共84000人，俘虏王耀武等将级军官23人。缴获大批军用物资。并策动吴化文部20000多人起义。华东野战军在济南战役中伤亡26991人。济南战役后，驻烟台、临沂、菏泽的国民党军先后弃城逃跑，至此，山东境内除青岛外，均获得解放。
济南战役是解放军在解放战争中第一次攻克有国民党军重兵防守和坚固设防的大城市。济南战役的胜利，使华北、华东两大解放区连成一片，动摇了国民党军企图依托大城市进行顽抗的信心。济南战役中，解放军连续作战，在城市攻坚、步炮协同的战术和技术上都有了长足的进步。粟裕在1948年10月4日对新华社记者发表的谈话中指出：济南战役的胜利“证明蒋介石的任何防御，皆挡不住人民解放军的进攻，人民解放军能够攻占任何坚固设防的大城市。人民解放军不仅能够在运动战中，于很短的时间内歼灭大量敌人，而且在攻坚战中，于很短时间内亦能歼灭大量敌人。仅就此次济南战役来说，歼灭敌人的数量就比战争初期全国各战场一个月歼敌的总数还要多”。
战略决战前的运筹
到1948年7月底，解放战争的形势发生重大转折。解放军由战略防御转入战略进攻，将战争引向国民党统治区。在外线的运动战中大量歼灭国民党军的有生力量，并继续在内线作战，收复失地。经过洛阳、襄樊、晋中、豫东等一系列战役，国民党军由战争初期的430万人下降为365万人，其中用于一线作战的正规军只有174万人，分布于东北、华北、华东、中原、西北五个战场，在战略上已处于被动地位。解放军从战争初期的120万人发展到280万人，在正规化建设和技术装备方面也有很大提高，具备了进行大规模运动战、阵地战和城市攻坚的能力。同时，收复与解放土地面积15万平方公里，使解放区面积达到235万平方公里。解放人口3700余万，使解放区总人口达1。68亿，占全国总人口的37％。解放和收复县以上城市182座，其中10万人口以上的城市有17座，使解放区的城市达604座。从当时的版图看，华北、华东解放区已连成一片，东北除少数大城市外，绝大部分地区已获得解放。东北解放区的巩固与扩大不仅摆脱了国民党军南北夹击的不利战略态势，并使东北野战军获得了巩固的后方。中原解放区在大别山、皖西、豫西、陕南、桐柏、江汉、江淮（即皖东一带），创立了七个军区，建立了稳固的根据地。使中原地区由原来国民党军进攻解放区的重要后方，变成了解放军夺取全国胜利的前进基地，西北解放区也在巩固逐渐扩展。这些变化，为解放军与国民党军进行战略决战提供了必要的条件。1948年9月8日到13日，毛泽东在河北平山西柏坡主持召开了中央政治局会议，历史上称之为“九月会议”。
“九月会议”是为加速解放战争的进程而举行的一次重要会议，是共产党与国民党进行战略决战的动员会。毛泽东在会议上作报告。他指出：“我们的战略方针是打倒国民党，战略任务是军队向前进，生产长一寸，加强纪律性，由游击战争过渡到正规战争，建军五百万，歼敌正规军五百个旅，五年左右根本上打倒国民党。”如何消灭国民党军主力？毛泽东算了算账：“第二年的好处是把临汾打开了，徐（向前）兵团变成有战斗力的兵团，许谭兵团加强了，陈粟的情况变了，刘邓已开始壮了，东北虽少打一个仗，但现在壮得厉害。今年还有四个月，再搞三十六个旅是有可能的。”毛泽东在报告中还提出建立人民民主专政政权，加强经济工作，加强训练干部，准备接管新解放区和大城市，学习工业管理等方面的问题。新中国的雏形，已经在毛泽东的胸中勾画出来了。会议结束不久，华东野战军就发起了济南战役。而东北战场的大会战，则已经酝酿了很长时间。为什么战略决战首先在东北进行呢？1948年3月，东北野战军攻克四平，结束了冬季攻势后，东北解放区完全连成一片，86％以上的人口获得解放。东北野战军由战争开始时的11万人，发展到100多万人，装备改善，士气旺盛，牢牢地掌握了东北战场上的战略主动权。东北国民党军虽然还有50余万人，但被分割在长春、沈阳、锦州三个互不相连的地区内，陷于十分孤立的境地。长春与沈阳的铁路交通被切断后，全靠空运补给。卫立煌任东北“剿总”总司令后，采取了“固点——连线——扩面”的方针，即第一步收缩兵力固守大据点，第二步在时机成熟后再打通各点之间的联系，第三步扩大占领区，但在解放军的打击下，做到第一步已是心有余而力不足，根本谈不上第二步第三步了。这时，摆在东北国民党军面前有两个可供选择的方案：一是继续固守长春、沈阳、锦州几个据点，一是撤出东北，将数十万“精锐之师”撤入关内。早在这年3月，驻华美军顾问团团长巴大维即向蒋介石提出撤退东北军队的建议。他分析东北形势后认为，“继续据守被孤立的满洲城市是徒劳无益的”，沈阳和长春两座孤城，“不能永无止境地由空运供给”。因此他坚决敦促蒋介石，利用解放军冬季攻势后休整的机会，“渐进的撤出满洲”。巴大维的建议在当时的情况下不失为一个可行的方案。当东北解放军的冬季攻势正猛的时候，蒋介石心中十分焦虑，他有过作“破釜沉舟”打算，即以积极的行动，从东北撤退，保全东北50万官兵不致成为瓮中之鳖。但当时正要�