使王耀武判断主攻方向在东面，急将第19、第57旅东调，并以第15旅及刚空运抵济的整编第74师7个连，自七里河方向向解放军反击，另以一部增援燕翅山，妄图制止解放军的攻势。
随后，又将飞机场以西的整编第2师之第211旅调入市区，以增强机动兵力。
17 日，蒋介石命令徐州“剿总”副总司令杜聿明指挥第2兵团准备经鲁西南北援，第7、第13兵团分由新安镇及固镇地区向徐州集结，准备沿津浦路北攻。
阻援指挥的粟裕获此情报后，即告知刘邓中原局领导，要求做好配合阻援的准备。
17 日，解放军攻城东集团在炮火支援下，依托有利地形，不断击退敌之反冲击，并乘胜攻克窑头、甸柳庄等地。攻城西集团也继续分路猛攻，至18日，攻克古城、玉皇山、簸箕山、党家庄等地，并以炮火封锁了济南机场，迫使敌人中止空运。
接着，许世友为扩大战果，将预备队的13纵加入西集团作战。19日晚，国民党整编第96军军长吴化文在我争取下，率整编第84师等部3个旅约2万人起义，撤离战场。解放军趁势前进，至20 日拂晓，占领商埠以西阵地。
解放军的连续猛攻和吴化文部起义，打乱了国民党军的防御部署，动摇了守军坚守济南的信心，王耀武向统帅部请求突围，但遭蒋介石严词斥责，并令其坚决固守诗援。
王耀武随即调整部署，除留1个营守千佛山，1个团守马鞍山，以3个旅又1个团守商埠外，将主力撤入城内。南线之敌3个兵团，在蒋介石督令下，正分别向商丘、徐州集结中。
20 日，中央军委指示:王耀武部可能突围，应从各方面布置，不使漏网。同时指出:刘峙已令邱清泉兵团集结临城待命援济，应迅速集结打援兵团全力于邹、膝地区，准备歼击北援之敌。
除了华东军区迅速动员准备阻击与拦截溃逃之敌外，粟裕也修订了作战方案，以便随时迎击徐州方向上的可能援敌。
许谭依据军委指示，决定以两集团立即向商埠实施突击，以东集团继续肃清城外残敌，积极进行攻城准备。
20 日黄昏，西集团经40 分钟的炮火准备和连续爆破，即多路突入敌阵地，至22 日午，完全占领商埠，歼敌两万余人。东集团也肃清了城东残敌，直逼城下。
解放军攻占商埠后，敌认为我需经三五天的准备才能攻城，因此，将3 个旅集中内城，以4 个旅图置外城，积极加修工事，准备顽抗。为了不给敌以喘息的机会，许世友决定立即对外城发起攻击，并作了如下部署:东集团9纵配属坦克4辆于城东永固门正面及东南角突击;渤海纵队一部向城东北角佯攻，另一部位于城东北地区准备堵击可能突围逃窜之敌。