敌八十三师有增援济南之可能，济南守敌将达到13万人，我攻济作战方案须重新研究，提出三个可供选择的方案：（1）迅速攻占济南机场，查明敌情后再决定下一步行动；（2）以一个兵团向徐州外围攻击，配合第一、第八纵队及地方部队对陇海、津浦铁路的破击，造成攻击徐州之势，吸引敌人注意力于徐州，尔后适时发起对济南的攻击；（3）按原计划攻击济南，吸引援敌北上，于运动中歼灭援敌。中共中央军委于9月13日丑时复电指示：“只要你们在八十三师加到济南后，仍有把握夺取飞机场及在济市外围歼敌一部，你们仍以按照原计划发动攻济并在徐、济间准备打援为适宜”。同日酉时，粟裕电复中共中央军委并报华东局、中原局：“我们已决定不论八十三师之一个旅是否已空运济南，仍按原计划于十六日晚开始对济南之攻击”。
同日许世友致中共中央军委电：以现在情况打下济南是有把握的，但从部署上看，我们兵力不集中，没有重点的使用，这样很容易造成对我不利，尤其是攻济南的兵力已部署好，不能变动，第一步就这样，但第二步我一定集中使用兵力。中共中央军委当天复电指出：“你已到前方，甚慰。你所说的有重点地使用兵力是正确的。此次作战部署是根据军委指示决定的，即目的与手段应当联系而又区别。此次作战目的，主要是夺取济南，其次才是歼灭一部分援敌，但在手段上即在兵力部署上，却不应以多数兵力打济南。如果以多数兵力打济南，以少数兵力打援敌，则因援敌甚多，势必阻不住，不能歼其一部，因而不能取得攻济的必要时间，则攻济必不成功。”“至于攻城部署应分两阶段，第一阶段集中优势兵力攻占西面飞机场，东面不要使用主力，此点甚为重要，并应迅即部署。第二阶段则依战况发展，将主力使用于最利发展之方向，如果东面利于发展，则应使用于东面。整个攻城指挥，由你们担负。全军指挥，由粟裕担负。”
9月16日农历中秋节。晚，指挥发起济南战役。经一昼夜激战，西兵团歼灭济南外围长清、齐河守敌，迅速迫近济南西郊，并以炮火控制机场，迫使敌人中止空运；东兵团一举攻克济南城东屏障茂岭山、砚池山、回龙岭等敌军阵地，乘胜向城区进攻。
9月17日蒋介石电令王耀武“抱定与济南共存亡的决心”，同时令徐州“剿总”以第二、第七、第十三兵团北援济南，以第十二、第十六两兵团阻止中原野战军东进。
9月18日决定接受国民党军整编第九十六军军长兼整编第八十四师师长吴化文率部起义，命令他立即撤出机场阵地，同时指令攻济部队西兵团向吴部迫近。9月19日晚，吴化文率领三个旅两万余人起义，交出机场及周围防区。华野攻城部队西兵团乘机疾进，于9月20日拂晓占领机场东面商埠以西敌军外围阵地。同时，东兵团主力迫近济南外城。
9月20日晨，与陈士榘、张震联名发出致宋时轮、刘培善、萧望东、曾生、雷经天、姜茂生、孙继先、丁秋生、许世友、谭震林、王建安并报中共中央军委、华东局电：如吴化文部确实于昨晚起义，我军应乘机向商埠及城区猛攻，以扩张战果。“直到现在，南面援敌尚无动作。因此决令调叶飞纵队北开加入济南作战”。同日又电：为对付援敌，决定叶飞纵队仍加入打援作战，攻城部队以现有兵力解决济南之敌。
同日午时，与陈士榘、张震联名发出致许世友、谭震林、王建安、宋时轮、刘培善、萧望东并报中央军委、华东局、中原局电，指令攻城集团指挥员：
“吴化文既已起义，且我军已完全控制商埠以西（包括机场）以南、西南及城东和东南阵地（仅千佛山、马鞍山、四里山等地仍有敌固守），则战局可能迅速发展，望令各部就现态势以三、十及十三纵并力向商埠攻击，得手后，则全力攻城”。
同日中共中央军委致粟裕、陈士榘、许世友、谭震林、华东局、华北局电，指出：“吴化文起义后，我军进一步攻城达到最紧急情况之时，王耀武有可能率其死党突围而出，向天津或向青岛或向临沂等处逃跑。你们在部署上必须预先估计到此种情况，从各方面布置，勿使敌人漏网，到达全歼目的。”同日又电示：“刘峙已令邱清泉兵团集结临城（薛城）待命援济”。“你们应迅速集结打援兵团兵力于邹（县）滕（县）地区，准备歼灭邱兵团”。
同日申时，与陈士榘、张震联名发出致中共中央军委并刘伯承、邓小平、华东局电：判断国民党军已放弃南犯中原计划，企图在鲁南与我军会战。攻济作战，以现有兵力似可解决问题，决定集结九个纵队于打援方向。建议中原局以一部佯攻郑州，或以主力攻击黄维兵团弱点，“总以能拖住黄维、孙元良两兵团不能进入鲁西南、鲁南参战为好”。
9月21日酉时，与陈士榘、唐亮、张震联名发出报华东局并中共中央军委、许世友、谭震林电：商埠大部被我占领。
同日中共中央华东局发出关于接管济南的工作指示，指出：“此次济南战役，我们不仅要坚决的攻占济南，在军事上取得伟大胜利，而且要完善的接管济南，在政治上取得伟大胜利。”决定以谭震林、曾山等人组成“中国人民解放军华东军区济南特别市军事管制委员会”。同时调配大批接管干部，组建了由三个团组成的警卫部队，颁发了入城政策纪律“约法七章”和“十项规定”。
同日中共中央军委致粟裕、陈士榘、唐亮、张震并许世友、谭震林、王建安电，指示：“刘峙集邱（清泉）黄（百韬）李（弥）三兵团北援，望充分注意阻援及打援”。“我军最大兵力应迅速集中兖（州）邹（县）滕（县）及其以东地区”。“攻城第一阶段虽获顺利发展，但第二阶段可能费大力气，千万不可轻敌”。
9月22日连发三电上报中共中央军委、华东局并下达攻城、打援集团，作出全歼济南守敌并防其突围以及阻援打援的作战部署。
同日丑时，中共中央军委电示粟裕、陈士榘、唐亮、张震、许世友、谭震林、王建安、华东局：“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，除正规部队由许谭王及粟陈唐张负责外，华东局应立即布置通往临沂、枣庄、青岛、运河、鲁西南各路之地方部队及民兵的节节堵击，是为至要。”9月23日，华东局发出致各军区电，作出防止济南突围之敌逃窜的部署。
同日18时30分，华东野战军攻城集团从东西两个方向发起总攻，于9月23日攻克外城，9月24日突破内城，全歼济南守敌。王耀武化装潜逃，刚刚逃到寿光县，就被当地民兵活捉了。在阻援打援战场上，敌军迟迟不敢北进，我军不战而胜，实现了中共中央军委设想的最好可能，即“在援敌距离尚远之时攻克济南”。济南战役胜利结束。此役共歼灭国民党济南守军10万余人（包括起义2万余人），俘虏王耀武以下国民党军将领23名。9月24日酉时，与陈士榘、唐亮、张震联名发出致中共中央军委、华东局、中原局、华北局电，报告我军已完全占领济南，全歼守敌，攻济战役全部结束。中共中央于9月29日发出贺电，指出：“这是两年多革命战争发展中给予敌人最严重的打击之一”，“华东与中原的全部解放，已经更加迫近”，“证明人民解放军强大的攻击能力，已经是国民党军队无法抵御的了”。
同日中共中央军委致刘伯承、陈毅、邓小平、李达并告粟裕、谭震林等电，提出解放战争第三年歼敌任务，要求全军共歼敌正规军116个旅左右，其中华东野战军歼敌40个旅。指出：“如能完成这一任务，即可开辟第四年大举南进的道路。”电报中说：“华野此次战役（济南战役）后，必须有一时期休整，那时拟请陈毅同志回至该部，帮助粟裕对内部关系加以调整”。10月15日，毛泽东复陈毅电，“同意暂时不去华野”。
9月24日7时，发出报中共中央军委并华东局、中原局电，建议下一步举行淮海战役。电报说：“估计攻济战斗日内即可完全结束”，“援敌知济南已被我完全攻占，则停止北援而转为加强戒备，以防我主力南进之可能性，戒备似较继续北援之可能为大”。“为更好地改善中原战局，暴露津浦线，并迫使敌人退守（至少要加强）江边及津浦沿线，以减少其机动兵力，与便于我恢复江边工作，为将来渡江创造有利条件，以及便于尔后华野全军进入陇海路以南作战，能得到交通运输供应的方便，和争取华中人力、物力对战争供应的支持，建议即进行淮海战役。”并告：“饶（漱石）政委今明可抵职部，到后当将尔后行动再请示饶政委”。25日9时，中共中央军委复电指示：“望你们召集许（世友）、谭（震林）、王（建安）及其他可能到会之干部，开一次讨论行动的会议，以最后斟酌的意见电告我们审查。”同日申时又电示：“请将徐海铁路沿线及沂河区、峄台区、东海灌云连云港区、两淮区之敌情电告。”同日下午，刘伯承、陈毅、李达致中共中央军委并粟裕电：“济南攻克后，我们同意乘胜举行淮海战役”。同日19时，中共中央军委再电指示：“我们认为举行淮海战役，甚为必要。目前不需要大休整，待淮海战役后再进行一次休整。淮海战役可于十月十号左右开始行动”。要求他们在10月10日以前做好有关这一战役的充分的准备工作，开一次像上月曲阜会议那样的干部会，统一作战意志，调整内部关系。
同日指令华野渡江先遣纵队从现驻地安徽涡阳出发，以三天行程进至安徽凤台地区，隐蔽待机南渡。10月5日，渡江先遣纵队渡过淮河，到达定远、凤台、怀远地区，与江淮军区第四分区部队会师。
同日蒋介石在南京官邸召开紧急会议，决定采取以攻为守的方略，确保津浦路、陇海路、平汉路双十字架，阻止中原野战军与华东野战军会合。
9月26日辰时，与陈士榘、张震联名发出复中共中央军委电，报告陇海线及淮海区敌情。
9月27日中共中央电示饶漱石：到华野前委后，可帮助工作一个时期。
同日中共中央致华东局并转发苏北工委及苏北军区、饶漱石、粟裕、陈士榘、唐亮、许世友、谭震林、王建安电：“自中央一月七日指示后，华野前委并未按时向军委作综合报告，亦未声明理由请准延缓或免做，是何原因？望电复。
你们三处九月份综合报告何时发来，亦望告。”
9月28日4时，中共中央军委致粟裕并告饶漱石电，指出：你们召集全军师以上干部在曲阜开一次大会，很有必要。为使你们的会议开得好一些，时间可以有7天到10天，而将执行淮海战役的时间推迟到10月15日以后。
同日中共中央军委致饶漱石、粟裕、谭震林并告刘伯承、陈毅、华东局电，指出：“黄兵团调回新安镇业已证实。你们淮海战役第一个作战并且是最主要的作战是钳制邱（清泉）李（弥）两兵团歼灭黄（百韬）兵团。新安镇地区距离徐州甚近，邱李两兵团赴援甚快。这一战役必比济南战役规模要大，比睢杞战役的规模也可能要大，因此，你们必须有相当时间使攻济兵团获得休整补充，并对全军作战所需包括全部后勤工作在内有充分准备，方能开始行动”。“师长以上干部到会的曲阜会议似宜推迟数日举行，以便攻济兵团各纵、师能在会议以前稍加整理”。淮海战役出动时间似须推迟至10月20日左右。
9月30日华东野战军指挥机关冒雨由宁阳转移到曲阜。10月3日，粟裕与张震一起由兖州经泗水到曲阜。
同日国民党徐州“剿总”副总司令官杜聿明携带他的“对山东共军攻击计划”到南京，请参谋总长顾祝同核定。顾祝同要他到北平当面请示蒋介石。10月3日，蒋介石与杜聿明面谈后批示：“此案可行，交顾总长核办。”
10月1日中共华东野战军前委扩大会议日程确定为：饶漱石作报告并传达中央关于反无政府无纪律倾向的决定，分组研究编制、战术、后勤工作，下一步作战方案和部署。
10月3日中共华野前委发出半个月休整工作要点，要求各部分别总结战斗经验，整顿组织，调整干部，溶化俘虏，补充弹药和冬服，进行攻坚打援战术教育，并进行下一步战役的初步动员。
10月4日在曲阜接受新华社记者采访，谈济南战役胜利的原因和意义，指出：“济南解放战，集中地表现了人民解放军的无比强大，特别是攻坚能力的强大”。“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”。“说明了我军愈战愈强，敌人愈战愈弱，敌我力量对比和战争影响，都已经发生了而且将继续发生着根本的变化。国民党反动派正日益走向最后失败，我们正日益走向全国胜利”。
10月5日主持召开有师以上干部参加的华野前委扩大会议。10月6日，中共中央电示粟裕并告饶漱石：此次会议在检讨关于无纪律无政府状态时，应做成一个决议，在会上通过，并应有一段时间专门讨论有关淮海战役的作战部署、动员工作及后勤工作诸问题。电报指出：“你们七月间关于部队思想情况的报告，算得是一个综合报告。九月的报告可在这次会议后做，即将会议情况报告即可。”
根据中共中央指示，这次会议传达讨论了中共中央九月会议精神，讨论并通过了《关于加强纪律性克服党内无纪律无组织无政府状态的决议》，先后三次召开作战会议讨论制定淮海战役作战方案。会议于10月24日结束。
10月6日电令苏北兵团、第十一纵队加强对新安镇、郯城、马头地区之敌的侦察、监视，策应鲁中南军区对临沂的攻击。电令冀鲁豫军区和第四、第八纵队查报黄河决堤处情况，并视水情调整部署。
10月8日10时，与谭震林、陈士榘、张震联名发出致豫皖苏、冀鲁豫、江淮各军区并报中原局、华东局、华北局、华中工委、中共中央军委电，部署各军区配合淮海战役的作战行动。
同日华东野战军全军攻坚战术技术研究会在曲阜召开，历时八天，于10月15日结束。10月22日，与谭震林、陈士榘、唐亮、钟期光、张震联名向中共中央军委、华东局报告会议情况。
10月9日主持召开淮海战役第一次作战会议，讨论经华野前委两次会议研究提出的三种可供选择的作战方案以及五种可能的战场情况变化，认为以执行第三方案为好，即就黄百韬兵团现势，以新安镇为中心，集中华野主力进行分割、包围，全部歼灭之。预计10月25日前后发起战斗。10月12日子时，与饶漱石、谭震林将会议结果上报中共中央军委和华东局。同日亥时又电报告：因棉衣要到10月20日才能发齐，建议将战役发起时间推迟到10月28日左右。
10月10日中共中央军委致饶漱石、粟裕、谭震林电：关于制订淮海战役作战计划问题。
同日临沂国民党军队弃城逃窜。我鲁中南军区部队收复临沂。
