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。
9月21日，商埠战斗进入白热化阶段。
三纵、鲁中南纵队和十纵已经从不同方向靠近了济南外城最重要的两座城门：普利门和麟祥门。整编第二师拼死防守，双方在普利门正面逐条街巷地争夺。黄昏到来时，攻城部队突然向普利门和麟祥门一线猛烈开炮，整编第二师独立大队大队长瞿赓扬看见了令他惊骇的景象：
整个阵地天昏地暗，炮弹爆炸声、伤者的惨叫声、建筑物的倒塌声，合在一起犹如天崩地裂。一个半钟头后，圩墙内外，一片火海。这时解放军的指挥枪咯咯咯地在各方响着，响一次就有一次冲杀。其声势之大，攻击之猛烈，为内战中所罕见。“血流成河”这句形容战场的老话，用在当时普利门内外，也是十分恰当的。那里是血水横流，尸横遍地。
9月22日，商埠绝大部分地区已被攻占，只有个别坚固据点还在战斗，其中第二绥靖区司令部所在地邮电大楼是最顽固的据点。
此时王耀武的司令部已经转移到城内，但是邮电大楼里的守军仍在顽强固守。防守邮电大楼的部队，就是空运到济南的整编七十四师一七二团的7个连，由那个希望报答王耀武栽培之恩的刘炳昆团长指挥。刘炳昆到达济南后，王耀武把蒋介石送给自己的“中正”佩剑送给了他，这让他很是激动，当场刺破手指表示：“请司令官记住，我的老家是湖南长沙！”王耀武明白，刘炳昆准备付出生命。
刘炳昆到达阵地后，在电话里对罗幸理说：“万一阵地失守，请给我的妻子打个电报。”王耀武接过电话说：“你这种精神很好！只要有此精神，阵地就一定丢不了，给你妻子的电报也不用打，我立刻把你这种忠勇精神电报给老先生，保你为少将旅长！”
刘炳昆防守的地域，除邮电大楼之外，还包括附近的上海银行、中国旅行社和德国领事馆等数座大楼。
三纵司令员孙继先和政治委员丁秋生心急如焚，因为攻城指挥部的命令是：“务于22日午前，完全扫除商埠及城郊之敌。”
三纵开始攻击了，十几门掷弹筒连续发射榴弹，数支爆破队不惜伤亡连续爆破，邮电大楼高大的围墙终于被炸开缺口，突击队员从突破口拼死往里冲。
9月22日16时，二十九师把火炮直接推到楼前抵近射击，爆破组连续7次爆破了35公斤炸药，邮电大楼摇摇欲坠了。
攻城部队终于冲进大楼，在楼梯和各个房间开始最后的清剿。国民党守军利用能够利用的所有东西，搭建起阻击掩体进行最后的抵抗。督战军官们端着机枪在房间里扫射，逼迫士兵到走廊里作战。五连的9名战士冲进一个房间里，班长赵十顺发现一只铁皮柜子上架着3挺机枪，3名机枪手站在那里已经举起双手。这就是一七二团的指挥部。几十具尸体横陈在地上。在正中央的大桌子后面，椅子上垂头坐着一个人，腹部和头部都已受伤，胸口插着一柄短剑，血流了一地。最后时刻，刘炳昆用那把“中正”佩剑自杀了。
