蒋介石深知“济南稳则徐州稳，徐州稳则中原稳”。1947年2月莱芜战役失利后，他曾亲自到济南当面告诫王耀武：“济南在政治、军事、地理上都很重要，济南必须固守。如发生问题你要负责。”
9月初，蒋介石得知华东野战军开始向济南方向云集，立即命令将驻守青岛的整编七十四师（孟良崮战役后重建）五十七旅和驻守徐州的整编八十三师十九旅紧急空运济南。同时命令邱清泉的第二兵团集结于豫北商丘一带，黄百韬的第七兵团集结于苏北新安镇一线，李弥的第十三兵团集结于苏北宿县一线，以备北上增援济南。
王耀武知道，由于济南城太大，而守备区域内处处都要设防，必然兵力不足。他利用现有兵力制定了济南城防计划：济南全城被划分为东西两个守备区，守备的重点是机场以西以南。
当时，济南各大报刊连续刊登吹捧文章，称誉王耀武“当年三捷长沙，近日砥柱黄河，古城名将，相得益彰，济南城防，坚如磐石，固若金汤”。
二1948年9月16日午夜，济南战役正式打响。
华东野战军攻城兵团在东、西、南、北各百里的广阔范围内，同时向济南外围据点发起猛烈攻击。
王耀武判断我军的主攻方向在西面，目标首先是占领机场，遂将预备队整编八十三师十九旅调往机场方向，并将整编七十四师五十七旅收缩入城，准备用于城西防御。
我军西兵团十纵由西向东攻击。拂晓时分，守军十九旅五十五团闻风撤退，二十八师官兵追敌至济南以西的古城附近，歼灭整编第二师二一一旅的一个团部。在向古城攻击时，突击部队一度受阻，后改用土工作业的手段挖掘交通壕近敌。
夜幕降临，二十八师在开阔地的深壕内再次发起攻击，守军最终放弃阵地逃跑。此时，二十九师已开始攻击玉符河边的常旗屯据点。常旗屯据点是敌二一一旅旅部所在地，前面的玉符河宽约100米，河边堡垒成串，设置有地雷区。二十九师八十七团三营在营长胡成群和教导员刘华的率领下，强渡突破。七连三排长张宪臣率领全排边涉水边攻击，39名官兵，攻击到堤坝前时，只剩下了腿部受伤的张宪臣和参军才一个多月的战士李洪绪。张宪臣踩着李洪绪的肩膀爬上堤坝，炸毁一座地堡之后，用绑腿将李洪绪拉上来，两人在守军反扑时坚持不退，一直等到后续部队来到。
我军东兵团九纵的攻击目标是城东的防御高地茂岭山和砚池山。
茂岭山是济南防御体系中重要的外围阵地，就在这里受到攻击的前几个小时，王耀武还到这里检查了工事。九纵二十五师七十四团的3个连同时发动冲击，四连八班首先攻占一座碉堡，一排在东北角爆破成功，二排在连续攻击后全排只剩下9人，但最终还是将守军压缩到了茂岭山阵地的西南角。2个小时后，七十四团占领茂岭山主阵地，并且迅速扫清山腰残敌。此战，七十四团伤亡巨大，战斗中人员连续合并5次，战后全团只能编成3个排。与此同时，二十五师七十五团在付出重大伤亡后，也攻占了砚池山阵地。
9月18日，战斗集中在西面的飞机场和东面的马家庄。
凌晨2时，在济南以西防御的整编第二师二一一旅旅长马培基让卫兵弄来了月饼，他对独立大队大队长瞿赓扬说：“老弟，我们过个节吧。”瞿赓扬明显感到了马旅长悲凉的心境，言外之意是说不定什么时候就被打死了。吃完月饼，瞿赓扬率领两个连发动反击，这两个连的骨干全是“中美训练班”出来的学生，作战凶猛，果然把当面的一支攻击部队压了下去。
此时，从徐州来的整编七十四师正在空运中，当炮弹落到跑道上的时候，满载后续部队的运输机根本没有降落，立即掉头往回飞。已经被空运到济南机场的整编七十四师的7个连，由五十八旅一七二团团长刘炳昆率队。刘炳昆是王耀武的老部下，尽管他带来的这7个连没有任何武器（因为刘峙连轻武器都没让他们携带），但是他还是向王耀武要求战斗任务，并且要求把他派到作战最吃紧的地方去。刘炳昆的7个连到军械仓库领取枪支弹药后，被派往东面战斗最残酷的马家庄。
华东野战军攻城东兵团攻占茂岭山和砚池山后，立即向济南外围城垣发起攻击。王耀武命令守军在马家庄一线建立阻击阵地。东兵团攻击部队集中炮火掩护步兵反复冲锋，一度占领了马家庄的一半阵地。王耀武命令十九旅上来增援。东兵团的官兵利用房屋作掩护阻击十九旅，十九旅则在房屋墙壁上打洞强行推进，致使马家庄一线每房必争，双方都付出了很大的伤亡。十九旅旅长赵尧亲手枪毙了十几个溃兵，但依旧不能阻止士兵怯战。战至午后，赵尧负伤，十九旅“死尸累累，伤兵后运，络绎不绝”。
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。
