9月中旬，陈际帆开始部署山东兵力。按照参谋部的作战计划，参与济南战役的部队有：第一集团军炮兵师，共装备24门150mm榴弹炮,60门105mm榴弹炮。第七军，总兵力4万余人，全军增加了从第4师团缴获的12门105榴弹炮、36门野炮和一些步兵炮，实力已经跃升为国内最强的部队之一。集团军暂编独立师，一万五千余人，轻装。
上述三支部队由于参加过大练兵，战斗力较强，为攻打济南的主力部队。担任牵制、佯攻的部队为荣子桓独立旅、张步云和厉文礼的混编旅。
吴化文第八军四万余人调出进驻德县至沧州一线。第一军第二师沿津浦路向北，占领沧州。第一军第三师主力西进，占领馆陶、广平，与汤恩伯在邯郸的守军互为犄角。
第二军休整完毕后，以三个师为独立作战单位对日军在冀中平原上所有的碉堡、岗楼、据点展开奔袭
。以达到将日军孤立于少数大城市的目的。
“神鹰”在华北的山东、河北两省，不仅兵力占有绝对优势的，而且在火力、机动、后勤等方面也有无可比拟的优势，只待收拾完苟延残喘的济南日军，向冀中大举进攻的日子就不会太远了。
攻打济南，不仅在于这是大反攻后第一个即将光复的省会城市，而且陈际帆使用的攻城步兵全部是所谓的地方杂牌。全国上下都在紧张的期待中关注着，但真正令所有人大跌眼镜的，是“神鹰”尚处在幼稚中航空兵部队。
胡玉峰在作战计划中坚持要航空兵参战，理由很简单，整个中国战区日军航空兵已经受损严重，而且济南战役自己这边具有绝对优势，正是航空兵锻炼的大好机会。
胡云峰有更充分的理由，他指挥的航空兵虽然还不具备和日军飞机面对面格斗的水平，但经过几个月来的刻苦训练，飞行员们的水平得到迅猛提升，在南方已经多次执行过江南地区的侦察任务，而且成功逼退过武汉过来的日军飞机。更重要是，胡云峰希望用攻击济南这样一个辉煌战绩作为年轻的航空兵的起点，让他们一开始就拥有骄傲的战史。
陈际帆没有理由不同意。拥有自己的航空兵对未来江南和东北的作战有着巨大的意义，而且对地面上这些士气不高缺乏训练的杂牌部队来说，他们加入“神鹰”的第一仗居然就是高技术条件下的空地协同作战，这对部队以后的训练将带来不可估量的意义。
9月13日凌晨，从安徽中部军用机场起飞12架侦察机，12架驱逐机（p38）和6架中型轰炸机(b17)和两架满载燃油航弹的中型运输机在美军雷达的导航下趁夜秘密转场徐州。
在和美军航空兵协调的时候，美国人本来不大瞧得起中国人独立进行空中作战，但胡云峰坚持独立作战，谢绝了美国人的好意，并善意提醒他们，还是好好地策划如何打击日本本土和东海日军航线为好。
胡云峰亲自坐镇淮南指挥部，在参谋总部新建的空战指挥中心亲自协调美军雷达和自己的航空兵之间的行动。济南战役与其说是陈际帆亲自指挥，还不如说是强大的“神鹰”参谋部的功劳，因为在陈际帆周旋于山东各方势力之间的时候，参谋总部已经制定了详细的作战方案。
9月14日，航空兵侦察机完成侦察任务，确定日军城外所有的工事布防
。
9月15日，济南外围攻坚开始。攻坚目标主要是城南以马鞍山和千佛山制高点为中心的防御带。从徐州机场飞来的六架轰炸机在驱逐机的护卫下飞抵日军工事上空，对日军防御阵地进行不间断的轰炸。
日军的地雷阵、地堡群、铁丝网和士兵交通壕瞬间成了一片火海，剧烈的爆炸声中各种明碉暗堡纷纷粉碎上天。来自天上的攻击让日军的士气受到毁灭性打击，本来他们的兵力就不多，现在对手居然还能凑出飞机对他们的阵地进行狂轰滥炸，这让鬼子赶到一阵绝望。
绝望还没有完，因为轰炸机不断盘旋、俯冲之后驱逐机也加入对地攻击的战团，飞机员们干脆把用来打飞机的航炮全部用于地面攻击，随着驱逐机在离地面不远处飞过，暴露在阵地表面的日军被打成一团团碎肉。
“攻击顺利！请求返航！”飞行中队向胡云峰发出请求。
“立即返航！”
胡云峰不敢让这些飞机太疯狂，因为附近日军同样也有飞机。
空中攻击刚刚结束，地面炮兵也不甘寂寞，一百多门榴弹炮集中火力在千佛山南不到五公里处预设炮兵阵地，将一枚枚大口径高爆弹和燃烧弹全部送到日军外围阵地上。
两个主峰高地和中间无数个胡成体系又独立支撑的工事瞬间变成废墟，暴露在表面阵地上的守军无一幸免。强大的气浪冲击下，很多鬼子即使没有被炸死，也在瞬间丧失了战斗力---被炸傻了！
没有枪声，空气中传来的就是如闷雷般的巨响，从望远镜里看去，高地上绽开这一朵朵绚丽的死亡之花，每一枚炮弹砸下去，都会让平静的地面开始灿烂的景致。每一枚炮弹落下，都会让原本看似坚固的工事变成一团尘土。
整整半个小时的炮火，几乎将城南的工事犁了一遍，留下了无数个带着硝烟和火光的弹坑。千佛山上日军表面工事全部被摧毁，下午三点左右，已经提前进入阵地的第七军21师开始向千佛山阵地发起猛攻。
千佛山是济南南边的制高点，也是南门的屏障，失去千佛山，南门将直接暴露在攻击方炮火打击之下，所以日军在这里安排了27师团第1联队驻守，兵力约3000人（前一段有战损）
。配备了轻型战车、12门九二式步兵炮和无数重机枪。
日军在济南经营多年，千佛山上的工事自然也可称得上固若金汤。除了表面工事外，日军还在反斜面修筑坑道，利用山体修筑大量隐蔽在山上的地堡群。每一个地堡群平均有两挺机枪，地堡群之间形成交叉火力，几乎没有留下射击死角。
21师是第七军的绝对主力，不过，这种攻坚还是第一次。21师上下做了广泛的战前动员，每一个排都增加了爆破组和炮兵观察员。这种攻坚与其说是靠冲锋，还不如说是靠优良的土工作业和爆破。
果不其然，21师突前的主力团刚刚进入日军射程范围，就遭到地堡火力的凶猛压制。部队利用掷弹筒等予以还击后，掩护爆破组上前实施爆破。
越往上，日军兵力也越多，21师投入的一个营冲上阵地后，忽然招致敌人明暗火力点的多重射击，几十挺机枪发疯似的扫过后，这个营受到重创，正副营长横尸山头。最后只有不到一个连的兵力撤了下来。
第一波攻击宣告失败，情况立刻引起了第七军军长于学忠的高度重视，于学忠当即请求炮兵支援，在炮兵的掩护下继续展开冲击。但是很遗憾，两个营的兵力冲上去后不但找不到目标，反而被日军火力大量杀伤。
陈际帆大怒！不是对第七军的攻击不满意，因为他知道第七军在空地火力协同两次攻击损兵折将肯定是有原因的。果不其然，日军在千佛山根本不像以前那样依托表面阵地和对手周旋,而是将兵力全部隐蔽于地下，用钢筋水泥构筑多个大小地堡、地堡之间还有交通壕相连。
爆破部队要付出巨大伤亡才能完成一次爆破。
鬼子什么时候变得这么聪明了？陈际帆这才想起来，太平洋战争爆发到现在，日军一定是将太平洋上对付美军那一套搬到济南来了，妈的！
陈际帆马上要通于学忠，改变战术，不要一味冲击主峰阵地，命令各团组织精干兵力对面前最近的日军火力点逐个侦察，并且大胆使用爆破层层清除。陈际帆说，我不给你设定时间界限，但是我要看到进展。
于学忠本来以为区区千佛山阵地日军只有3000人，己方又有火炮飞机助战，一个师一万多人拿下阵地应该没有问题，谁知道竟然受挫
。
于学忠急忙向攻击西边马鞍山高地的23师下令调整战术，以22师为预备队，分头策应两个师的攻坚。
战术改变后，进展变得非常缓慢，但是卓有成效。千佛山毕竟不太大，而且也不算陡。炮兵奉命向山顶开炮以牵制日军，山下21师分成多个小组开始进行爆破。这下日军傻眼了，因为山上只能眼睁睁地看着下面的中**队将自己的地堡群逐一送上天。
日军在炮火间歇之时也曾组织小部队在步兵炮的掩护下向山下进行反突击，不过，在中**队强大的火力面前基本上等于送死。拼命冲锋的日军部队立刻招致炮火覆盖，还没有冲到山下就被消灭得差不多。
于学忠部用几百士兵的生命学会了一种全新的阵地攻坚方式，而总指挥陈际帆也也打起十二分精神开始指挥战斗更弱的新编部队向济南其他方向展开外围攻坚。
独立师自从加入“神鹰”后，还从来没有经历过什么像样的战役，师长萧健九和参谋长魏凤韶两人联名上书请战。陈际帆也想看看这个轻装步兵师经过大练兵，是不是真正有战斗力，于是爽快地命令他们指挥全师主攻济南东门。
其余几支部队是免不了的，虽然他们对攻坚还有畏惧。幸好总司令没有让他们当炮灰，但是严令，必须配合友邻部队包围济南，并且不分白天黑夜盯紧城内日军，放跑一个军法从事！
外围战斗一直持续到9月16日上午才宣告结束，南门外所有制高点全部拿下，守卫的第1联队3000余人在“神鹰”地空火力和逐次爆破之下全军覆没。“神鹰”指挥的十万部队顺利抵达济南城下。
陈际帆把攻击重点放在城南和城东后，命令炮兵师东移，作为独立师的支援火力协助独立师打扫东门外的日军防御阵地。
日军在15日一个整天的战斗中不仅失去了济南南边的重要屏障和北边的黄河大桥，而且一个联队全军覆没，使本来就不富裕的兵力雪上加霜。更严峻的是，第七军占领千佛山以后将野炮拆卸下来分批运上山顶组装，变成了直接瞄准南门的炮兵阵地。
城东的防御支撑点也在9月16日这一天遭到“神鹰”的强大攻击，日军不明白，为什么对手不采取痛快点的总攻，而是东一榔头西一棒子地零敲碎打，让自己摸不清对手的真实意图
。
日军在陈际帆手上吃的亏实在是太多了，面对中国人这种违反教科书的攻坚战术，从12军司令官到各师团旅团长都被迷惑，没敢轻举妄动。要知道在对手拥有侦察机的情况下大规模的调兵遣将不仅容易造成混乱，而且极易被对手侦察，从而暴露位置。
守卫在城东开阔地上的是27师团第2联队3000余人，这里地势开阔，全凭各种战壕铁丝网和地面上的碉堡群作为防御支撑。这样的防御对付缺乏轻武器的中**队，绝对称得上固若金汤，但是在强大的“神鹰”空地火力的双重打击下，基本等于送死。
所以独立师在城东外围的攻击非常顺利，防御的第2联队没有多少回旋余地，被炮兵师所有的重榴弹炮集群攻击，短短几个小时就被大量杀伤。其守卫的的阵地在如此密集和强大的炮火面前犹如纸糊一般。
但是日军并不甘心，华北派遣军司令部虽然无法再抽调一兵一卒增援济南，但为了提升守军士气，还是决定派出一个驱逐机中队和一个轰炸机中队的飞机从北平、保定机场飞过来。
很可惜，日军飞机刚一起飞就被雷达锁定目标，美国人很快将日军飞机的所有飞行数据全部报告给前沿的徐州机场，美军第十航空队和“神鹰”年轻的航空兵接到指令后迅速起飞，在河北上空轻而易举地打了鬼子飞机一个漂亮的伏击。
日军飞机气势汹汹飞到河北衡水至德县上空时，忽然被早就埋伏在云层里的中美联合航空队50多架战斗机从后方俯冲下来，猝不及防之下，当场被击落8架轰炸机和5架战斗机。
紧接着双方在空中展开激烈的空中格斗，而“神鹰”航空兵采取的是后世双机编队，大大弥补了飞机性能和飞行员技术的不足。日军航空兵虽然英勇，技术也不赖，无奈寡不敌众，又被击落了11架后悻悻返航。
中美联合航空队终于在空战中凭借自身实力夺得了制空权，意味着以后日军的日子将越来越难过。
其实要不了以后，就在9月16日下午的战斗中，日军济南东门外已经满目疮痍，第2联队还没见到中国攻击部队就已经伤亡惨重。好不容易等到炮火延伸，1000多人的兵力在重机枪等火力点全部被毁的情况下根本挡不住独立师两个团6000多人的汹涌进攻。
下午两点，济南城东外围全部肃清，第2联队残兵败将撤进城内
。
国内瞩目的济南攻坚没有想象中这么热闹，陈际帆似乎并不给予投入所有部队给日军致命一击。行家们在猜测，是不是因为陈际帆手里没有称手的部队而不敢发动进攻，或是陈际帆还有什么高招没有祭出来。
陈际帆确实是有些不放心，但是他不能当着部下的面表达出来。所以他用了一天的时间让参与攻坚的两支主力部队在火线亲自感受日军的防御威力，也让他们感受一下有空地火力协同下的防御作战应该如何。
至于攻击济南，陈际帆打算用荣子桓的一个旅绕到北面，咬住守卫北门城外的独立混成第8旅团一个步兵大队，并且负责黄河大桥的防守，以张步云和厉文礼的三个团作为预备队，由他亲自指挥守在西门外以逸待劳。
陈际帆没有四面围城，而是集中最大的兵力攻击济南城南和城东，第七军一旦突破南门，立即组织一个师的兵力抢占城内所有的建筑制高点，和敌人逐街逐巷争夺，再以一个师的兵力沿城墙肃清西门后，将日军压缩在城东予以歼灭。
这个战术是为了避免巷战而做出的，如果四面攻击，日军势必会层层抵抗，并且凭借巷战工事抵抗，这样一来，自己手里这些菜鸟部队势必伤亡惨重，而且对济南城的破坏也相当严重。
果不其然，下午5点总攻发起后，日军很快判明中**队的进攻方向。马上调集59师团三个步兵大队增援南门，又调集其余五个步兵大队增援东门。把守西门的只有两个步兵大队，而独立混成第8旅团此刻被牢牢拴在北门。
虽然在战前陈际帆放出话，所有部队不得放走日军一兵一卒突围，实际上他知道日军根本不可能放弃坚城突围，因为周边没有日军任何部队接应，即使突出去，最终也难避免被全歼于黄河岸边。
攻破南门已经没有任何悬念，因为在千佛山上就是用肉眼都能将城墙上的日军看得清清楚楚，不要说第七军有榴弹炮野炮，此刻用小钢炮都能准确无误砸中日军的任何一个火力点。
于学忠在千佛山上将日军的增援看得清清楚楚，他轻蔑地笑一声，命令炮兵向城内日军任何一个集结地猛烈射击，封锁日军任何增援通道。
中**队的第二次城市攻坚战打得虽然激烈，但是非常顺手，第七军炮兵砸完成内后，又将大大小小的炮弹全部送到城墙上
。可怜日军连中**队一次完整的冲锋都没见到就死伤惨重。
前线的官兵看到城墙上此起彼伏的爆炸和漫天纷飞的砖头碎石木屑，一个个既欣喜又不解，在他们印象中攻坚战不是这样的。以前的攻击战特别是攻击涿州，炮火准备后，当官的肯定要组织敢死队，然后将白花花的大洋挑在阵地上来，后面就是督战队，后退一步肯定被打成蜂窝。接下来就是冒死冲锋，侥幸活下来的算是命大，接着冲锋直到倒下为止。就是这样，打了三个月，火力全占优势的东北军愣是没攻下傅作义镇守的涿州城。那一战成全了傅作义，也让东北军丢尽了脸。
不过，现在这些出身东北军的将士们全懵了。长官既没有组织敢死队冲锋，后面更没有督战队，而是让部队慢慢接近观察炮兵兄弟们的表演。更绝的是，总司令在战前还亲自交代，遇到敌人凶狠火力点的时候，各级指挥员应该动用自己可以呼叫的任何火力支援，切记不要拿士兵不顾生死往上冲。
原来仗还可以这么打！这是第七军自师长以下官兵们的共同感受，这种打法并不激烈，可招招都能打在鬼子的要害上。步兵冲锋发起后，担任主攻的23师根本没有遭受什么像样的抵抗就接近护城河，然后从容架桥渡河。此刻的城墙守军那还顾得上收拾攻击部队，他们被炮火炸得找不到北，城墙上被炸断多处，就连增援都不可能。
23师先头部队一个连率先渡河接近城门后用炸药包对城门进行连续爆破，终于将城门炸得稀巴烂，这个连接着以最凶猛的火力掩护着后续部队过河。
随着大批中**队从南门涌进城内，鬼子的城南防线宣告崩溃。除了滞留在城墙上的鬼子还在居高临下射击外，鬼子的主力被迫在南门附近依托街垒和残垣断壁抵抗。但是23师步兵火力也不弱，他们同样装备有鬼子制造的轻重机枪和掷弹筒，而且和鬼子一样能将这些玩意玩得炉火纯青。从城门涌进的23师士兵成建制向两翼展开，有的冒死登城和城墙、城楼上的鬼子对射，更多占领街道阵地向鬼子发起连续进攻。
21师跟着进城后，迅速沿城墙根向西门攻击前进。而日军知晓陈际帆的攻击习惯，以为南门失陷后陈际帆一定要集中最精锐的兵力向中央突击，这是他一贯的老套路。所以鬼子在中路集中了大量兵力依托每一条街道顽强抵抗。
谁知道中**队大量进城后并未如他们所愿，而是以一个师的兵力和中路日军周旋，掩护一个师向西门迂回攻击，以另一个师从侧翼突破，和日军争夺济南城每一条街道，每一座房屋
。
12军司令官土桥中将心急如焚，59师团被几万支那军队牵制在城南，而东边被中**队步炮协同火力打得节节败退，东门岌岌可危。
从上方俯瞰济南城，处处是硝烟，处处是不断爆炸产生的火光，枪炮声不绝于耳。地面上双方士兵搅在一起，用手中所有能够射击的兵器向敌人猛烈射击。
南门至西门的墙根下，第七军21师组织三路纵队，以轻机枪手榴弹开路一直杀向西门。西门守军为59师团两个步兵大队，在南门和东门打得热火朝天的时候，西门却没有多大动静，可他们兵力不足，根本不敢轻举妄动，甚至连基本的反突击都不敢实施，只能严阵以待。
可他们迎来的却是一万多分成三路攻击的部队，面对如潮水般涌来的中**队，59师团这些士兵们虽不致慌乱，可对手一上来就展开最凶猛的火力，而且利用人多的优势迅速完成两翼包抄。
日军的轻重机枪从城墙上下吐出疯狂的火焰，不过21师的突前部队也没有束手待毙。他们按照训练要求，在前沿迅速调集掷弹筒对日军火力进行覆盖。不仅如此，城墙附近的屋顶也在中**队潮水般的攻击下纷纷失陷，占据制高点的21师调集了数挺轻机枪居高临下压制墙根的日军。
不过，城墙上的日军火力还是对攻击部队造成严重威胁，21师付出巨大伤亡后终于占领城门，开始强行登城。
自总攻开始后一直打到天黑，然后又打到深夜，济南城内火光冲天，西门完全被占领，日军主力在依托市中心，在其他三个方向上仍然负隅顽抗。中**队已经从西面和南面两个方向向市中心攻击，其中21师还不忘记派出一个团向北门迂回，割裂北门和市中心的联系。
黑夜降临，陈际帆果断下令突入城内的部队勇猛穿插，将日军尽可能分割成小块，并将其逐渐往东压缩，然后自己亲率西门外的部队进城建立指挥部突前指挥。
虽然部队在重炮协助下首先突入坚城，但形势仍不容乐观，日军兵力应该还有两万多，而且其主力还在凭借城内复杂的地形顽抗，黑夜里巷战变得非常困难。伤亡数字不断攀升，是到了重新组织兵力的时候了。