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以上作戰計劃，得到軍委批准。
九月九日，我在參加西兵團作戰會議中，得知濟南飛機場及其外圍防守兵力已達五個旅。正日夜趕築工事，第三、第十縱隊進攻均感吃力，至少要拖長時間。當天我向許世友譚震林同志提出：“一、魯中縱隊首先沿大沙河東北攻大高山、雙山頭、舉洞頂、馬林並轉向党家莊、井家溝攻擊前進。二、第一步作戰，十三縱最好全部，如不能全部使用時，至少望抽一個師或更多兵力協同華中縱隊由南攻取飛機場。”同一天，攻城集團來電建議把西兵團的一個縱隊調到鐵路以東。十日我復電“攻濟戰役之能否成功，正如軍委所示，在於時間的取得。而攻濟之第一步要求似宜以迅速攻占機場斷絕敵人空援為日標。……攻城第二步再以主力轉向濟城及商埠”，“總以能迅速攻占機場為第一步作戰目標”。於是攻城仍按原定部署實施。並決定第十三縱隊緊隨魯中南縱隊跟進，於必耍時加入攻擊。
戰役發起前，我軍進行了充分的有針對性的準備工作。在攻城方面，擔任攻城的幾個縱隊，對濟南的地形，敵人的工事構築，兵力分布，活動規律及政治情況等都進行了詳細地了解，編寫了敵情資料，並派出一些幹部前去現地偵察。同時，廣泛開展戰前大練兵活動。各部隊根據自身受領的任務，布置沙盤作業。選擇近似實戰的地形，模擬敵人的工事，反覆進行演練。炮兵部隊統一指揮、集中使用，進行抵近she擊為主的訓練。
擔任打援和阻援的部隊，一面構築多層的防禦陣地，一面組織幹部勘察戰場，根據各自的任務和地形特點，制定作戰預案，進行演習。
在這次戰役準備工作中，還增加了一項新的內容，就是接管城市和對城市實行軍事管制的準備工作。為此，成立了以譚震林為主任的“濟南市軍事管制委員會”，頒發了“約法七章”和“十項規定”，華東局配備了大量的接管幹部，華東軍區指派三個團擔任城市警備，並對這些部隊進行了城市政策的教育和衛戍勤務訓練。這次對濟南市的軍管，又為以後對南京，上海等大城市的軍管，提供了經驗。
在西兵團向濟南開進之前，我特地到十縱給營以上幹部講括，鼓勵他們英勇奮戰，打進濟南府，活捉王耀武。十三日，我給許、譚，王（並報中央軍委）去電，“按原計劃於饒（十六日）晚開始對濟南攻擊，三、十、兩廣縱隊及特縱均已按計劃開進，可如期發起戰鬥，爾後請你們直接指揮他們”。
攻占濟南外圍防禦地帶
十六日夜，天高氣慡，月明星稀，我軍在月光下向敵外圍陣地展開全面攻擊。我軍根據敵外圍防禦地帶支撐點雖多，但縱深長，空隙大的特點，不是正面平推，而是採用穿插迂迴，大膽楔入，打開口子，突入縱深，分割圍殲的戰法，以支解敵人的防禦體系。激戰至十七日，我西兵團攻占長清、雙畝頭等地，十八日，占領古城、玉皇山、党家莊等地，迫近吳化文部所據守的陣地，並以炮火控制了機場，迫使敵人停止了空運。與此同時，東兵團攻占城東屏障茂嶺山，硯池山、回龍嶺等要點，十七日又乘勝攻占窯頭，甸柳莊，井繼續向前發展。
我軍的攻勢如此迅猛，使敵人消耗我軍主力於外圍的計劃，成為泡影，特別是我東兵團的攻勢，進展迅速。王耀武自信可堅守半個月的濟南東部屏障——茂嶺山、硯池山等要點，竟被我軍在一夜之間攻占，使他大為驚慌。他本來判斷我軍主攻方向在西線，曾將總預備隊兩個旅西調古城以西。這時，他錯誤地判斷我軍的主攻方向在東面，一面慌忙把預備隊兩個旅調到東面，一面用第十五旅及剛空運到濟南的新編第七十四師一部，向茂嶺山、硯池山等處進行反擊，企圖恢復城東屏障，又將機場以西的第二一一旅調入商埠加強城防。這更給我西線的攻擊造成有利的條件。說明局部戰場指揮員的主觀能動作用，常能對戰役全局起很有利的影響。
此時，吳化文面臨復滅的命運，於十八日晚派出代表，向我軍接洽起義。為防止其中途生變，我一方面命令他立即撤出陣地，一方面命令西兵團積極向吳部進逼，乘勝擴大戰果。
十九日晚，吳化文率三個旅約兩萬餘人起義，將飛機場及周圍防區移交找軍。使王耀武的西部防區防線出現了一個缺口，我西兵團接替了吳化文的防區，乘機疾進，至二十日拂曉，把商埠西面的外圍陣地全部占領。我即電告宋時輪、劉培善同志：“應乘機向商埠及城區猛攻，以擴大戰果。”與此同時，東兵團攻克了燕翅山等要點，主力迫近外城之下，積極準備攻城。
至此，王耀武宣稱可防守半個月的外圍防禦地帶轉經四天就被我全部占領。
打到濟南府，活捉王耀武
“打到濟南府，活捉王耀武”這個口號是我和譚震林同志在戰役動員令中提出的，並經總政治部復示同意。此時到了實現這個口號的時候了。
我軍的神速進攻和吳化文部隊的起義，引起敵人內部極大的震動，王耀武堅守濟南的信心動搖了。他分别致電蔣介石和徐州“剿總”司令劉峙說：“吳化文部投共，濟南腹背受敵，情況惡化，可否一舉向北突圍。”蔣介石回電令其“將陣地縮短：堅守待援”。劉峙也電令“固守待援’。
二十日，我電告許世友，譚震林，宋時輪，劉培善：“吳化文既已起義，且我軍已完全控制商埠以西（包括機場）以南，西南及城東和東南陣地（僅千佛山。馬鞍山，四里…等地仍有故固守），則戰局可能迅速發展，望令各部就現態勢以三、十及十三縱併力迅速向商埠攻擊，得手後，則全力攻城”。當晚六時，我西兵團使用第三、第十、第十三縱隊及魯中南縱隊（四個團），從南，西。北面對敵基本防禦地帶之第一線陣地－－商埠，展開猛烈攻擊。敵稍加抵抗後即向東後撤，據守堅固樓房，企圖進行頑抗。我四個縱隊並肩前進，與敵展開激烈的爭奪樓房之戰，戰至二十二日中年，將商埠之敵兩萬餘人全部殲滅，抵近外城西門。與此同時，東兵團已掃清了城外敵人的地堡群，準備攻城。
我占領商埠之後，王耀武判斷我軍至少需要三至四天的準備，才能攻城。於是又調整部署：仍以一部兵力堅守城外千佛山，馬鞍山、齊魯大學。花園莊四處要點，同時把第七十七旅、第二一三旅、保安第三旅及第六旅置於外城，把第十五旅，第十九旅、第五十七旅集中於內城，積極加修工事，準備頑抗。
為了不給敵人調整部署和加修工事的時間，我軍乘敵人驚慌和調動混亂之際；對外城發起攻擊。此時，攻城以西線為重點的目的已經達到。適應這一情況，我在戰役指揮上，強調充分發揮東、酉兵團的鉗形攻勢的作用，實行東西對進。我東、西兵團二十二日十八時三十分，向外城發起總攻。經過一小時激戰，從多處攻入外城，與敵展開巷戰，戰至二十三日，我占領外城大部，逼近內城。
此時，王耀武認為我軍經過七晝夜連續作戰，“傷亡重大”，“疲憊不堪”，至少進行三至五天的休整，才能進攻內城。他打算利用這一空隙，調整內城的部署，加修巷戰工事，並用炮火猛轟外城，破壞我軍進攻內城的準備工作。
蔣介石一面嚴令徐州集團加速北援，一面令空軍出動大批飛機，對我占市區日夜進行轟炸，並投擲大量燃燒彈。炸毀和燒壞了大量民房。
為了乘勝迅速全殲敵人，並減輕敵人對城市的破壞，發揮我軍特有的不怕傷亡，不怕疲勞，善於連續作戰的特長，我們決心立即於當天（二十三日）晚上，向內城發起總攻，徹底消滅頑抗之敵，結束濟南戰役。總攻的部署是：東兵團從東面突破城垣，消滅內城東半部守敵；西兵團從西面突破城垣，消滅內城械西半部之敵；十縱隊為總預備隊；東、西兵團的山炮和野炮進入外城，直接支援突擊部隊作戰；榴彈炮配置於外城之外，壓制敵人炮火和殺傷其有生力量。
內城是濟南敵人的核心陣地。城牆高十二米，厚十至十二米，護城河寬五至三十米，水深二至五米。王耀武妄圖依託這一核心陣地，作最後掙扎。
二十三日晚六時，我各炮群一齊開火，經過一個小時猛烈she擊，各突擊部隊在護城河上架橋，撲向城牆，守敵拚命抵抗，戰鬥異常激烈。我東兵團第九縱隊第七十九團一部首先從東門南側登上城牆與敵肉搏，但因架設在護城河上的橋被敵炮火打斷，後續部隊中斷，巳登上城牆的部隊，經過一個多小時的激戰，全部壯烈犧拄。西兵團十三縱隊之第一○九團，也於同時從西南角突破，兩個營奮勇登上城頭。與敵人反擊部隊在突破口展開激戰。經過兩個多小時的拼搏，除第三連與第九連沖入城內，占領少數房屋抗擊敵人外，其餘部隊大部分傷亡，突破口又被敵人封住，第一次攻城受挫。
九月九日，我在參加西兵團作戰會議中，得知濟南飛機場及其外圍防守兵力已達五個旅。正日夜趕築工事，第三、第十縱隊進攻均感吃力，至少要拖長時間。當天我向許世友譚震林同志提出：“一、魯中縱隊首先沿大沙河東北攻大高山、雙山頭、舉洞頂、馬林並轉向党家莊、井家溝攻擊前進。二、第一步作戰，十三縱最好全部，如不能全部使用時，至少望抽一個師或更多兵力協同華中縱隊由南攻取飛機場。”同一天，攻城集團來電建議把西兵團的一個縱隊調到鐵路以東。十日我復電“攻濟戰役之能否成功，正如軍委所示，在於時間的取得。而攻濟之第一步要求似宜以迅速攻占機場斷絕敵人空援為日標。……攻城第二步再以主力轉向濟城及商埠”，“總以能迅速攻占機場為第一步作戰目標”。於是攻城仍按原定部署實施。並決定第十三縱隊緊隨魯中南縱隊跟進，於必耍時加入攻擊。
戰役發起前，我軍進行了充分的有針對性的準備工作。在攻城方面，擔任攻城的幾個縱隊，對濟南的地形，敵人的工事構築，兵力分布，活動規律及政治情況等都進行了詳細地了解，編寫了敵情資料，並派出一些幹部前去現地偵察。同時，廣泛開展戰前大練兵活動。各部隊根據自身受領的任務，布置沙盤作業。選擇近似實戰的地形，模擬敵人的工事，反覆進行演練。炮兵部隊統一指揮、集中使用，進行抵近she擊為主的訓練。
擔任打援和阻援的部隊，一面構築多層的防禦陣地，一面組織幹部勘察戰場，根據各自的任務和地形特點，制定作戰預案，進行演習。
在這次戰役準備工作中，還增加了一項新的內容，就是接管城市和對城市實行軍事管制的準備工作。為此，成立了以譚震林為主任的“濟南市軍事管制委員會”，頒發了“約法七章”和“十項規定”，華東局配備了大量的接管幹部，華東軍區指派三個團擔任城市警備，並對這些部隊進行了城市政策的教育和衛戍勤務訓練。這次對濟南市的軍管，又為以後對南京，上海等大城市的軍管，提供了經驗。
在西兵團向濟南開進之前，我特地到十縱給營以上幹部講括，鼓勵他們英勇奮戰，打進濟南府，活捉王耀武。十三日，我給許、譚，王（並報中央軍委）去電，“按原計劃於饒（十六日）晚開始對濟南攻擊，三、十、兩廣縱隊及特縱均已按計劃開進，可如期發起戰鬥，爾後請你們直接指揮他們”。
攻占濟南外圍防禦地帶
十六日夜，天高氣慡，月明星稀，我軍在月光下向敵外圍陣地展開全面攻擊。我軍根據敵外圍防禦地帶支撐點雖多，但縱深長，空隙大的特點，不是正面平推，而是採用穿插迂迴，大膽楔入，打開口子，突入縱深，分割圍殲的戰法，以支解敵人的防禦體系。激戰至十七日，我西兵團攻占長清、雙畝頭等地，十八日，占領古城、玉皇山、党家莊等地，迫近吳化文部所據守的陣地，並以炮火控制了機場，迫使敵人停止了空運。與此同時，東兵團攻占城東屏障茂嶺山，硯池山、回龍嶺等要點，十七日又乘勝攻占窯頭，甸柳莊，井繼續向前發展。
我軍的攻勢如此迅猛，使敵人消耗我軍主力於外圍的計劃，成為泡影，特別是我東兵團的攻勢，進展迅速。王耀武自信可堅守半個月的濟南東部屏障——茂嶺山、硯池山等要點，竟被我軍在一夜之間攻占，使他大為驚慌。他本來判斷我軍主攻方向在西線，曾將總預備隊兩個旅西調古城以西。這時，他錯誤地判斷我軍的主攻方向在東面，一面慌忙把預備隊兩個旅調到東面，一面用第十五旅及剛空運到濟南的新編第七十四師一部，向茂嶺山、硯池山等處進行反擊，企圖恢復城東屏障，又將機場以西的第二一一旅調入商埠加強城防。這更給我西線的攻擊造成有利的條件。說明局部戰場指揮員的主觀能動作用，常能對戰役全局起很有利的影響。
此時，吳化文面臨復滅的命運，於十八日晚派出代表，向我軍接洽起義。為防止其中途生變，我一方面命令他立即撤出陣地，一方面命令西兵團積極向吳部進逼，乘勝擴大戰果。
十九日晚，吳化文率三個旅約兩萬餘人起義，將飛機場及周圍防區移交找軍。使王耀武的西部防區防線出現了一個缺口，我西兵團接替了吳化文的防區，乘機疾進，至二十日拂曉，把商埠西面的外圍陣地全部占領。我即電告宋時輪、劉培善同志：“應乘機向商埠及城區猛攻，以擴大戰果。”與此同時，東兵團攻克了燕翅山等要點，主力迫近外城之下，積極準備攻城。
至此，王耀武宣稱可防守半個月的外圍防禦地帶轉經四天就被我全部占領。
打到濟南府，活捉王耀武
“打到濟南府，活捉王耀武”這個口號是我和譚震林同志在戰役動員令中提出的，並經總政治部復示同意。此時到了實現這個口號的時候了。
我軍的神速進攻和吳化文部隊的起義，引起敵人內部極大的震動，王耀武堅守濟南的信心動搖了。他分别致電蔣介石和徐州“剿總”司令劉峙說：“吳化文部投共，濟南腹背受敵，情況惡化，可否一舉向北突圍。”蔣介石回電令其“將陣地縮短：堅守待援”。劉峙也電令“固守待援’。
二十日，我電告許世友，譚震林，宋時輪，劉培善：“吳化文既已起義，且我軍已完全控制商埠以西（包括機場）以南，西南及城東和東南陣地（僅千佛山。馬鞍山，四里…等地仍有故固守），則戰局可能迅速發展，望令各部就現態勢以三、十及十三縱併力迅速向商埠攻擊，得手後，則全力攻城”。當晚六時，我西兵團使用第三、第十、第十三縱隊及魯中南縱隊（四個團），從南，西。北面對敵基本防禦地帶之第一線陣地－－商埠，展開猛烈攻擊。敵稍加抵抗後即向東後撤，據守堅固樓房，企圖進行頑抗。我四個縱隊並肩前進，與敵展開激烈的爭奪樓房之戰，戰至二十二日中年，將商埠之敵兩萬餘人全部殲滅，抵近外城西門。與此同時，東兵團已掃清了城外敵人的地堡群，準備攻城。
我占領商埠之後，王耀武判斷我軍至少需要三至四天的準備，才能攻城。於是又調整部署：仍以一部兵力堅守城外千佛山，馬鞍山、齊魯大學。花園莊四處要點，同時把第七十七旅、第二一三旅、保安第三旅及第六旅置於外城，把第十五旅，第十九旅、第五十七旅集中於內城，積極加修工事，準備頑抗。
為了不給敵人調整部署和加修工事的時間，我軍乘敵人驚慌和調動混亂之際；對外城發起攻擊。此時，攻城以西線為重點的目的已經達到。適應這一情況，我在戰役指揮上，強調充分發揮東、酉兵團的鉗形攻勢的作用，實行東西對進。我東、西兵團二十二日十八時三十分，向外城發起總攻。經過一小時激戰，從多處攻入外城，與敵展開巷戰，戰至二十三日，我占領外城大部，逼近內城。
此時，王耀武認為我軍經過七晝夜連續作戰，“傷亡重大”，“疲憊不堪”，至少進行三至五天的休整，才能進攻內城。他打算利用這一空隙，調整內城的部署，加修巷戰工事，並用炮火猛轟外城，破壞我軍進攻內城的準備工作。
蔣介石一面嚴令徐州集團加速北援，一面令空軍出動大批飛機，對我占市區日夜進行轟炸，並投擲大量燃燒彈。炸毀和燒壞了大量民房。
為了乘勝迅速全殲敵人，並減輕敵人對城市的破壞，發揮我軍特有的不怕傷亡，不怕疲勞，善於連續作戰的特長，我們決心立即於當天（二十三日）晚上，向內城發起總攻，徹底消滅頑抗之敵，結束濟南戰役。總攻的部署是：東兵團從東面突破城垣，消滅內城東半部守敵；西兵團從西面突破城垣，消滅內城械西半部之敵；十縱隊為總預備隊；東、西兵團的山炮和野炮進入外城，直接支援突擊部隊作戰；榴彈炮配置於外城之外，壓制敵人炮火和殺傷其有生力量。
內城是濟南敵人的核心陣地。城牆高十二米，厚十至十二米，護城河寬五至三十米，水深二至五米。王耀武妄圖依託這一核心陣地，作最後掙扎。
二十三日晚六時，我各炮群一齊開火，經過一個小時猛烈she擊，各突擊部隊在護城河上架橋，撲向城牆，守敵拚命抵抗，戰鬥異常激烈。我東兵團第九縱隊第七十九團一部首先從東門南側登上城牆與敵肉搏，但因架設在護城河上的橋被敵炮火打斷，後續部隊中斷，巳登上城牆的部隊，經過一個多小時的激戰，全部壯烈犧拄。西兵團十三縱隊之第一○九團，也於同時從西南角突破，兩個營奮勇登上城頭。與敵人反擊部隊在突破口展開激戰。經過兩個多小時的拼搏，除第三連與第九連沖入城內，占領少數房屋抗擊敵人外，其餘部隊大部分傷亡，突破口又被敵人封住，第一次攻城受挫。