就在战斗胶着的紧急时刻，王耀武听到了一个令他彻底绝望的消息：负责济南城西防御的整编第九十六军军长兼整编八十四师师长吴化文被共产党人策反倒戈了。
9月19日晚，吴化文率整编第九十六军军部和整编八十四师师部以及第一五五旅、一六一旅、独立旅等部约2万人宣布起义，并将济南机场和周围防区移交给了宋时轮、刘培善指挥的攻城西兵团部队。
吴化文倒戈后，王耀武立即派特务团、装甲汽车连加强司令部的警卫，同时分别给蒋介石和刘峙打电报报告吴倒戈情况。此时，王耀武“固守”济南的决心虽然已经动摇，但他还是连夜拟定了固守待援的方案。
9月20日，济南外围防御据点已被全部扫清。华东野战军准备攻城了，血战即将开始。
三吴化文的战场起义，使济南城防西线敞开了一个口子，城内守军不得不调整部署以封堵缺口。在这种情况下，我军必须连续突击，决不能给敌人以喘息的时间。9月20日，粟裕电告许世友、谭震林以及十纵司令员宋时轮、政治委员刘培善：“战局可能迅速发展，望令各部就现态势以三纵、十纵及十三纵并力迅速向商埠攻击，得手后则全力攻城。”许世友命令西兵团当晚对济南城西守备区商埠发动攻击，并将总预备队周志坚的十三纵投入到这个作战方向。
就在许世友即将发动攻击的时候，中央军委致电粟裕、陈士榘、唐亮、张震，提醒他们必须保障济南外围的安全，因为吴化文已经起义，而攻城兵团又即将发起攻击，王耀武很可能向天津或青岛或临沂等处突围逃跑。为此，粟裕迅速调动打援兵团在济南外围形成了三道防线，并将叶飞的一纵主力放置在济宁与兖州之间适时机动。
在此情形下，王耀武分别给徐州和南京发出电报，提出了向北突围的请求。结果遭到蒋介石的严厉斥责，要求务必固守。
王耀武看完电报，在“固守”二字旁画了4个圈，在“援军”二字旁画了4个叉，然后对参谋长罗幸理说：“7点召开旅长以上军事会议，决定死守。”
会议气氛惨淡。王耀武说：“老先生是英明的，我们要相信他。济南是战略要地，他责令我们固守，杜副司令已亲自督率邱清泉、李弥、孙元良等三个兵团来援。只要我们能坚守一个星期，援军定可到达。我们应当听从老先生的指示，尽力坚守。”
一散会，王耀武下令征召城内壮丁补充部队，将老幼妇孺全部疏散，并且在攻守双方的分界线上设立明显的标志，以利于空军大面积的轰炸。除此之外，他还做了一件特殊的事，这件事显示出他内心极度的不安和矛盾：他打电话给军法处和军事监狱，命令将所有在押犯人全部释放。对于关押的共产党员和俘虏的解放军官兵，军官发给金圆券5元、士兵3元，全部送出城去一个也不许伤害。
9月20日，皓月之下，炮火骤起，呐喊震天。我军攻城部队从西、南、北三面对商埠发动了猛烈攻击。
从北面首先插入商埠的，是宋时轮的十纵二十九师八十五团。副团长刘竹溪率领先头营冲到官扎营东口和天桥以西时，遭到了天桥至火车站一线守军的火力阻截。这时，三营和特务连上来了。三营长刘振溪报告说，七连的看护员李恩海是济南人，对这一带路很熟悉，可以当向导。在李恩海带领下，三营和特务连迅速绕过天桥，穿过铁路，插到了馆驿街与小纬一路的十字路口。刘竹溪把八连和特务连留下攻击街心的碉堡，其余部队沿馆驿街北侧继续向东前进。大街上到处是守军的街垒和火力点，他们不得不采取从街巷和院落中横穿而过的方式。他们携带着大量的小炸药包，这种小炸药包大的八九斤，小的只有三五斤，既可以炸碉堡，也可以对付坦克。在巷战中，把小炸药包往墙上一贴，爆炸后就形成一个洞，横穿居民区的时候，一连串地炸下去，就可以形成一道由若干个洞口组成的“胡同”。三营穿越馆驿街，经顺河街继续向东，看见了济南外城城墙。
在炮火的掩护下，突击队员抱着炸药包，冒着守军的反击炮火，越过电网和壕沟，对西南卡子门连续爆破9次，终于将城门炸开一个缺口，后续部队迅速拥入。至午夜12时，三纵和鲁中南纵队的各突击部队已全线突破商埠防御阵地，开始向济南城中心地带推进。
天亮的时候，当八师攻击到经四路与纬八路交叉路口时，街心的一座坚固街垒横在前进的路上。师长王吉文得知攻击受阻后，跑到了前沿。路口弹如雨下，一颗炮弹在王吉文附近爆炸，一块弹片嵌进王吉文的左肺。王吉文从昏迷中苏醒过来后，发现军医正在给他打针，便说：“不要给我打针了，快去前面抢救负伤的战士，他们治好了还可以参加战斗！”王吉文拒绝上担架，让担架队赶快上前沿去把受伤的战士抬下来。王吉文躺在这个硝烟弥漫的路口，直到血流殆尽。
