吳化文在決定叛變前，曾與王耀武有這樣一段對話：“還有沒有援軍？”，王答“沒有”，“那怎麼辦？”，王答：“鞠躬盡瘁死而後已，與濟南共存亡。”

1948年9月20日淩晨，吳化文叛變后，王耀武電告蔣介石，請求允許放棄濟南，率部突圍南下；拂曉，蔣介石回電對其棄城的想法予以痛斥，命其收縮外圍陣地，固守城垣，堅守待援；蔣並命令邱清泉、黃百韜、李彌三兵團立刻集結北上增援。

王耀武隨即召集師長以上高級將領開會，宣誓死守。同時，他下達了三條不同尋常的命令：

1、全城平民疏散出城；

2、釋放所有在押犯人；

3、所有被捕的中共黨員、共軍官兵禮送出城。

9月20日下午，共軍三縱、九縱、十縱、十三縱對第二綏靖區司令部所在的商埠發起猛攻（也是濟南火車站所在地）。負責駐守商埠車站的是96軍馬培基211師，負責駐守綏司司令部所在地郵政大樓的是74軍58師劉炳昆172團1千餘人。

血戰至22日中午，211師全師覆沒，馬培基陣亡；商埠區已只剩74軍的兩個營，高高飄揚在郵政大樓樓頂的青天白日滿地紅國旗，代表著74軍的榮光。

王耀武打電話給劉炳昆，詢問他還能守多久？劉炳昆望著被共軍炮火、炸藥炸得千瘡百孔的大樓，答道：“我不知道我能守多久。我要求王司令官，等你們知道我的陣地不在了，請告訴我的家人……”

22日下午，負責圍攻郵政大樓的共軍三縱八師師長王吉文被74軍擊斃；當晚，共軍攻佔郵政大樓，當他們看見劉炳昆時，身負重傷的劉用刺刀結束了自己的生命；74軍58師172團參戰官兵共7個連全體犧牲，無一投降。

22日晚，許世友下令總攻濟南城垣；23日下午，共軍佔領濟南市政府；王耀武率殘部全部退入濟南內城。

23日傍晚，共軍對濟南內城發起總攻。至午夜時分，共軍第一次總攻失敗，除了許世友嫡系聶鳳智、周志堅二人外，其餘共軍將領都主張暫行撤退，後日再攻。最終，許世友決定繼續發起第二次總攻；

24日清晨，聶鳳智九縱率先突入內城；身為山東人的王耀武不願泉城濟南毀於戰火，下令各部自行選擇將來；

當日午後，共軍佔領山東省政府，其13縱37師政委徐海珊陣亡；當晚，濟南全城被共軍佔領，綏司副司令官牟中衍、聶松溪、綏司參謀長羅幸理、96軍軍長晏子風、100軍19師師長趙堯、74軍57師師長楊晶被俘；9月28日，化妝出逃的王耀武在山東壽光被俘；73軍軍長曹振鐸輾轉逃往南京；CC派骨幹、國民黨山東省黨部主任委員龐鏡塘於10月9日在山東棗莊被俘。

徐蚌會戰期間，王耀武曾多次根據共軍指示，向國軍將士喊話，讓他們向共軍投降。1959年，王被釋放；1968年，王耀武被紅衛兵批鬥致死。

由於杜聿明的計畫是讓王耀武先守一周，因此，當9月17日得知共軍攻城後，邱、黃、李三兵團並未立即緊急動員；20日，吳化文叛變消息傳來，劉峙、杜聿明驚惶之下，命三兵團立刻集結，然只有邱清泉兵團21日在商丘完成集結，22日進入魯南，隨後得悉黃百韜、李彌均未到達徐州，遂放緩前進速度；25日邱兵團到達曹縣，得知濟南淪陷後撤回；此時，黃、李兩兵團剛剛到達徐州。

黃、李兩兵團行動遲緩，主要在於黃兵團，原因有二：

1、25軍在豫東會戰傷亡較大，其接收新兵培養戰力，需要時間整訓；

2、黃兵團25、63、64三個軍均為國械、日械，此次顧祝同將該兵團全部更換為美械，共軍攻打濟南，恰是黃兵團換械之時。

李彌得知黃兵團不能如期出動，認為單憑邱、李兩兵團難以擊破共軍阻擊，因而也未出動。

但也有史料提出，其實黃兵團21日已換械完畢，但黃百韜對於王耀武守濟南沒有信心，對國軍三個兵團精誠團結，擊破粟裕二十萬大軍阻擊，同樣沒有信心，因此故意行動遲緩。真相究竟為何，隨著黃百韜日後的自盡，兵團全軍十萬將士埋屍於運河两岸，恐都將湮沒于歷史長河。

郝柏村在其著作中，認為濟南失守王耀武全軍覆沒，基本註定了國民政府失去大陸政權。郝上將這一觀點，代表著國共雙方、海峽兩岸甚至包括歐美多數軍事專家的看法。在這裡，我們不能不慨歎，天意不可違！如果吳化文不叛變，濟南能守一個月嗎？如果蔣介石、劉峙、杜聿明提前十天同意將74軍全軍運至濟南，濟南能守一個月嗎？如果濟南真能堅守一個月，杜聿明能率邱黃李擊潰粟裕阻援集團嗎？是啊，歷史不容假設……只不過，吳化文有投共企圖，王耀武早在兗州失守之後就知道了，他卻沒有按照顧祝同的指示，除掉吳化文；濟南城守軍兵力不足，蔣介石早在三個月前就知道了，何必非要到兵臨城下才空運增援？王耀武為何不敢對吳化文痛下殺手，無他，缺兵少將也。正如他自己所說，如果有74軍、100軍在手中，他早把吳化文解決了。