遵照毛泽东的指示，粟裕等华野指挥员于8月20日前往曲阜，与山东兵团谭震林、王建安、舒同和部分纵队首长会合，研究济南战役的作战方针。这是自1947年“七月分兵”以来，华野两大集团领导的重新会合。
会上传达了学习中央军委关于攻济打援作战的指示，分析研究了当前全国战局的特点和华东战场开掘，对济南战役的指导思想、兵团使用、组织指挥和后勤保障工作进行了充分的讨论，在此基础上制订了攻济打援的作战计划。
会议认为，济南城坚兵多，将是“一次严重作战”，但守军也有弱点可利用。国民党军内部，中央军与地方军，嫡系与非嫡系部队之间，矛盾重重。王耀武置中央军于东部，显然以东线为其防御重点。我军将主攻方面选择为西部，首先夺占机场，这将大大出乎王耀武意料之外，俟他明白过来为时已晚。西部守军整编第96军军长兼整编第84师师长吴化文已有弃暗投明的表示，继续争取有可能战场起义，这就可能使济南西部防御出现缺口。首先攻占机场，即断绝了守军唯一的空中补给，在心理及精神上将给守敌以严重打击。攻济作战要从最坏的情况考虑，从思想准备、兵力部署上，做好应变举措。此役以攻占济南为主要目的，并求歼援军一部或几部。在兵力使用上，要以足够的兵力攻城，以主力打援。打援与攻城两方面都要留有强大的预备队。
会议决定，以华东野战军总兵力的44%、约14万人组成攻城集团，攻城集团分东、西两个兵团，由东西两面钳形攻击；以总兵力的56%、约18万人组成阻援、打援集团，夹运河而阵，筑构多道阻击阵地，以便随时转用兵力。
攻城西兵团，由第3、第10纵队、鲁中南纵队4个师又4个团编成，由第10纵队司令员宋时轮、政治委员刘培善统一指挥。首先攻占和控制济南机场，并抓住一切有利战机攻占商埠，而后在东兵团协同下攻入城内；另指挥两广纵队与野战军警卫团围攻长清，冀鲁豫军区部队一部围攻齐河。
攻城东兵团，由第9、勃海纵队共5个师编成，由第9纵队司令员聂凤智、政治委员刘浩天统一指挥。首先肃清济南东郊防御地带据点，而后协同攻城西兵团攻城；另指挥渤海军区部队攻占泺口，控制黄河铁桥，而后向南突击。
以特种兵纵队炮兵第1团（欠1个营）、第3团（欠2个连）及山东兵团炮兵团组成2个炮兵群，分别配属攻城东、西兵团，支援攻城作战。
以第13纵队为攻城集团预备队，配置在济南东南的上港、西营之间地区，随时准备投入攻城作战。
阻援、打援集团采取“夹（运）河而阵”的部署：以第4、第8纵队及冀鲁豫军区独立第1、第3旅，位于金乡、城武（今成武）、巨野、嘉祥地区，构筑若干道防御阵地，形成多梯次、大纵深防御，坚决阻击可能由商丘、砀山地区北进援军；以鲁中南纵队4个团及第7纵队一部于官桥至滕县之间地区，构筑防御工事，节节阻击可能由徐州北上援军。以第1、第6、第7纵队主力、中野第11纵队及苏北兵团第2、第12纵队，另配属特种兵纵队炮兵第2团、第3团2个连，集结于济宁、兖州和滕县以东地区，待机歼击沿津浦路北上援军。
苏北兵团一部和军区地方部队在广大民众配合下，积极向当面出击，破坏津浦路、陇海路，配合主力作战。
根据中央军委指示，决定攻城集团由山东兵团司令员许世友、政治委员谭震林、副司令员王建安统一指挥，华东野战军“全军指挥，由粟裕担负”（《毛泽东军事文集》第5卷，第7页）。9月16日发起攻济作战，以15天至20天攻克济南。华东野战军前委于8月31日将作战计划上报中共中央军委审批。
9月2日亥时，中央军委复电同意华东野战军的作战计划和部署。