这种状况，毛泽东认为，攻打济南将“是一次严重作战”。他在八月十二日致电粟裕等，从对豫东战役的分析中作出判断：解放军如果真打济南，徐州的三个兵团一定会北上增援；但在刚发生“区兵团被歼、邱黄两兵团受重创”的情况下，很可能采取“谨慎集结、缓缓推进”的方法。他预计这次战役的结果有三种可能：第一，“打一个极大的歼灭战”，也就是既攻克济南，又歼灭大部分援敌；第二，“打一个大的但不是极大的歼灭战”，就是既攻克济南，又歼灭援敌的一部分但不是大部分；第三，“济南既未攻克，援敌亦不好打，形成僵局，只好另寻战机。”他向华东野战军领导人提出：“我们目前倾向于攻城打援分工协作，以既达攻克济南，又歼灭一部援敌之目的。”⒅根据这个决策，华东野战军的具体部署是：以山东兵团加一个纵队担负攻城；以六至七个纵队在兖州、钜野间“夹运（河）而阵，并构筑几道防御工事，以便随时转移兵力于运东或运西，阻击与歼灭敌援。”二十八日，毛泽东又决定中原野战军当济南徐州吃紧、位于信阳和郑州的张轸孙元良两兵团被迫移动时，在运动中发起攻击，歼其一部，以配合济南战役的进行。
九月十一日，毛泽东给山东兵团司令员许世友的电报中，就攻济打援的目的和手段之间的联系和区别作了明确的说明：“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。”他又说明这种部署在遇到情况变化时可以予以改变，如：援敌已被阻住而攻城需要增加兵力时，可从打援方面抽调兵力参加攻城；在攻城不能短期解决战斗，而援敌又已大举进犯，非歼灭援敌不能继续攻城的情况下，则应从攻城兵团中抽调一部至半数兵力加入打援。他还指出：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；第二阶段，则依战况发展，将主力使用于最利于发展之方向，如果东面利于发展，则应使用于东面。同时指出：“整个战役应争取一月左右打完，但是必须准备打两个月至三个月，准备对付最困难的情况，并以此作为一切部署和工作的主要的出发点。”⒆并规定：整个攻城指挥，由你们担负。全军指挥，由粟裕担负。
这样，毛泽东就从战略运筹到战役部署的方方面面，完成了对济南战役的基本决策。
华东野战军遵照毛泽东和军委的指示，经过周密侦察和准备，于九月十六日发起济南战役，只经过八天的战斗，就全歼国民党守军十万余人（其中，争取整编第九十六军军长吴化文率部二万余人在战场上起义），攻克了济南城。从徐州北上的邱清泉兵团一部，因为害怕被歼，停留在城武、定陶地区不敢前进。另外两个兵团还没有在徐州集结完毕，济南已告解放。蒋介石的增援计划便胎死腹中。
济南的攻克，在国民党统治集团内部和国际舆论界引起了巨大的震动。杜聿明评论道：济南守军的被歼，“可以说蒋军的‘重点防御’计划已被击破”。美联社在九月二十六日评论道：“自今而后，共产党要到何处，就到何处，要攻何城，就攻何城，再没有什么阻挡了。”日本的《朝日新闻》在同一天评论道：“中国的内战进入了一个极重要的新阶段。”
济南战役的胜利给了解放区军民巨大的鼓舞，各解放区的党政军领导机关纷纷致电祝贺称：济南的解放“创造了我人民解放军攻坚解放大城市的新纪录”，“使我华北华东各解放区更加全面的联成一片”，表示要加紧作战，“争取新的胜利”。
毛泽东和他的战友们，对济南战役胜利的意义给予极高的评价，指出：“胜利影响已动摇了蒋介石反动军队的内部。这是两年多革命战争发展中给予敌人最严重的打击之一。”“华东和中原的全部解放，已经更加迫近。”济南的攻克，“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，任何一个国民党城市都无法抵御人民解放军的攻击了”。就是“北平、天津、沈阳三点”也不除外了。
他们还从济南战役的胜利中总结出解决国民党重兵集团的两条经验：一是“攻济打援”的战法；二是争取国民党军队举行战场起义。正如朱德所说：“吴化文的起义，我们不能过低估计，对我们打下济南起了相当作用。今后的作战，就是需要有这样的起义。”
济南战役，是毛泽东和中央军委把秋季攻势引向战略决战的起点。周恩来后来说道：“三大战役的序幕是济南战役。”
①中央军委致刘陈邓，并告粟陈张，许谭，华东局电，1948年7月14日。
②中央军委致许谭，并告粟陈唐张电，1948年7月16日。
③《祝五路大捷》，《时事学习材料》，苏南新华书店1949年6月版，第218页。
④中央军委致林罗刘，并告东北局电，1948年7月22日。
⑤中央军委致林罗刘电，1948年