8月初，王耀武向南京國防部報告濟南周圍人民解放軍雲集，情況吃緊。蔣介石也感到濟南孤立無援，必須加強守備兵力。遂於8月上、中旬命令將青島的整編第32師第57旅和徐州的整編第83師第19旅緊急空運濟南；命令國防部迅速空運武器彈藥補充濟南的整編第84師。
4日至10日，國民黨軍統帥部根據蔣介石關於堅守濟南、組織會戰的作戰意圖，經多次會議，制定了一個《濟南會戰計畫》。經蔣介石批准，於23日下令實施。《濟南會戰計畫》包括「作戰計畫」和「作戰指導要領」兩部分。
「作戰計畫」提出：華中、徐州國軍要以各個擊滅華中解放軍為目的，除以各綏靖區部隊分別對蘇北、大別山、大洪山、江漢區及陝鄂邊地區，利用地障積極「清剿」，防止解放軍擴展外，應將主力部隊編組進剿兵團，分別控制於隴海、干漢、津浦三路及漢水、丹江兩河沿途各要點，先行充分戰備。在戰備未完成前，各兵團戰略暫取守勢，戰術則取局部攻勢，以一部在其集結地區附近配合綏靖區部隊施行「清剿」。一俟戰備完成，實力充沛，即行大舉「圍剿」，分股殲滅解放軍，爾後再準備進擊華北地區。在準備時期，如解放軍主動大舉進攻時，應放棄不必要之點線而堅守重要戰略點線，各進剿兵團在統一指揮下迅速尋求解放軍主力而擊破之。
「作戰指導要領」若干條。其中第6條規定：在徐州方向，如華東解放軍主力北出魯西時，即以第2兵團施行猛攻，不使其有整補之機會，同時依情況以第7兵團「進剿」蘇北或魯南。如華東解放軍主力越隴海路南進時。則以河南新鄉地區第40師為基幹，配合地方武力秘密進擊濮陽、范縣等地區，襲擊、破壞華東解放軍後方基地。
《濟南會戰計畫》對王耀武固守濟南作戰要領，作了如下規定：
1.濟南防備應盡量縮小防禦圈，守備要點；
2.控制強大預備隊，採取機動防禦，依火力及機動部隊出擊以殲進犯之敵；
3.注意夜間防禦戰勤加演練。
《濟南會戰計畫》總的企圖是：戰略暫處守勢，戰術取局部攻勢，華中方面以「清剿」行動，牽制中原解放軍主力，以配合徐州方面作戰。徐州方面，以第2綏靖區王耀武部10萬餘人堅守濟南，消耗疲憊華東解放軍主力；以第2兵團集結於商丘一帶、第7兵團集結於新安鎮一帶、第13兵團集結於宿縣、固鎮地區，加緊整理補充。在濟南遭到攻擊時，3個兵團迅速北上增援，在兗州、濟寧間與華東解放軍主力決戰，一舉擊敗華東解放軍主力，並解圍濟南。
為加強徐州方面作戰力量，國民黨軍統帥部還決定以濟南、青島為主基地，北平、徐州為輔助基地，集中戰鬥機162架進行空中支援，另以重型轟炸機42架對華東解放軍前方、後方及運輸線進行轟炸。
豫東、兗州戰役後，華東野戰軍外線兵團已回師山東，與內線兵團會師。王耀武預感到華東解放軍大舉北調必有新的戰略意圖，即召集幕僚開會分析解放軍企圖。幕僚們認為：
1.山東省除濟南、青島、臨沂等幾處以外，其餘都被解放軍佔領。以濟、青、臨三處而論，當數濟南遭受解放軍進攻的可能性最大。解放軍為了鞏固後方，必將集中力量攻佔濟南，拔除這個心腹據點，使華東、華北連成一片，以控制津浦路徐州到天津間及膠濟路經濟南、德州至石家莊的交通運輸線，利於華東及華北的機動作戰。
2.濰縣、兗州的作戰情況說明，解放軍的炮兵及工兵力量已大大增強，並且有一定的技術和攻堅能力。
3.解放軍對膠濟鐵路、津浦鐵路及新佔地區的公路，不但不破壞，而且均在搶修中，並逐漸向濟南延伸；在作戰中所獲的火車頭及車廂等，也大部修好。這顯然是為進攻濟南創造有利的交通運輸條件。
4.解放軍不斷把在濰縣、兗州作戰中俘虜的中下級軍官釋放回來，並且對在濰縣、兗州戰役中失散的國民黨軍官眷屬很優待，還發給路費派車送回濟南。這些回來的軍官眷屬都說解放軍紀律嚴明，秋毫無犯。由濰縣等地跑到濟南來的商人，也到處說解放軍的紀律好，不拿老百姓的一針一線。解放軍攻佔濰縣後，派人挨家挨戶進行慰問，並幫助老百姓解除困難，使人民群眾很快地安定下來，社會秩序也隨之恢複，工商業照常營業。這些情況都說明解放軍正在積極進行攻城先攻心的瓦解工作，為解放濟南準備條件。
根據以上情況，王耀武及其幕僚們判斷華東解放軍下一個作戰目標「必是濟南無疑」。
這時，守備濟南地區的國民黨軍部隊有1個軍、3個師、10個旅及4個保安旅。即整編第96軍整編第2師第211、第213旅，整編第84師第155、第161旅，獨立旅；整編第73師第15、第77旅；整編第83師第19旅；整編第32師第57旅；第2綏靖區特務旅；山東省保安司令部保安第4、第6、第8旅，青年教導總隊(相當於旅)。另有1個榴彈炮營、1個野炮營、1個兵站部監護營、1個工兵營、1個通訊營、1個汽車營、1個裝甲汽車連、2列裝甲車，共計10萬餘人。
國民黨軍的濟南防禦體系，由外圍防禦地帶與基本防禦地帶構成。外圍防禦地帶構築有警戒陣地和主陣地，主陣地縱深達10餘公里，由160多個支撐點組成。基本防禦地帶由三線陣地組成。商埠為第一線陣地。外城為第二線陣地，內城為核心陣地。
王耀武自詡濟南城固兵多，外圍能守半個月，市區至少能守1個月。濟南受到攻擊時，還能得到徐州附近地區3個機動兵團北上應援。其兵力部署如下：
以濼口、馬鞍山為界，將濟南地區劃為東西兩個守備區，守備重點置於飛機場的以西以南。東守備區自城北黃河濼口(不含)至城南八里窪之線至郭店，以黃台山、茂嶺山、硯池山、千佛山、四里山一帶為主陣地，由整編第73師15旅、第77旅、整編第2師第213旅、特務旅、保6旅等部擔任守備，曹振鐸統一指揮，司令部置於城內窗后街西頭。西守備區自城北沿黃河濼口至城南八里窪(不含)之線以西至長清，以臘山、周官屯、白馬山、青龍山一帶為主陣地。由整編第84師155、161旅，整編第96軍獨立旅、整編第2師第211旅、青年教導總隊、民先鋒總隊、保8旅等部擔任守備。吳化文統一指揮，整編第96軍及整編第2師司令部置於商埠。
以保安團隊擔任外圍據點的固守，另以有力部隊編為預備隊，採取機動防禦。
以第57旅、第19旅及準備空運來濟南的整編第74師(轄第51、第58旅)為總預備隊，由整編第2師師長晏子風統一指揮。第57旅置於黨家莊附近，第19旅置於北葯山。
外圍獨立據點王舍人庄由歷城縣自衛團等守備，仲宮由整編第2師第213旅、崮山由第57旅各派出一部分部隊守備，齊河由保4旅守備。
王耀武在電請南京國防部將駐防蘇北的整編第83師空運濟南增加防務，請求增屯彈藥(包括催淚彈和毒氣彈)及11萬人2個月需要的糧食的同時，對守軍及市民進行「精神動員」，灌輸「反共」思想，試圖「以攻心對攻心」，並加緊修築千佛山下臨時機場，以備濟南機場被佔後使用。還強行編訓民團，協迫其與「國軍」共守濟南，等等。
王耀武的個子並不高，是以「五小」(眼、鼻、嘴、耳和個子)而著稱於同僚中的。但他衣冠楚楚，昂首挺胸，閱兵般地走動，用帶著白手套的右手向官兵行軍禮。他的中將星徽在陽光下閃著光，他的將官斗篷在秋風中飄動……這一切都在向新來的國民黨軍官兵顯示一種決心，一種要與城池共存亡的氣概。
國民黨第二「綏靖區」司令部作戰室。
這是在戰雲低垂的情勢下召開的一次軍事會議。國民黨守軍旅以上軍官和獨立團、營的團長營長們正襟危坐，聽取王耀武的臨戰訓示：
「保衛大濟南，早告訴你們『必有一戰』，今天可以再告訴諸位，不僅必有一戰，而且迫在眉睫。南京國防部於8月27日來電稱：匪有攻濟南之企圖。對防守要領的指示如下：1 濟南防備應縮小防禦圈，守備重點；2 控制強大預備隊，採取機動防禦，依靠火力及機動部隊之出擊以殲進犯之匪；3 注意夜間防禦戰。勤加演練。統帥部的電示即是濟南守軍的方針大要。
「再者，蔣總統對濟南防守特別關注，不僅對我有數次面示，而且他心中自有精妙安排；一再強調，只要我濟南守軍能頂得住共軍的攻擊，他將督令援軍北上，與我濟南守軍南北夾擊共軍，那時必能打敗共軍。
「我們有十萬守軍，有星羅棋布的堡壘群工事。我們可以毫不誇張地說，我們的防禦陣地是難以攻破的。我們的外圍防禦地帶以齊河、長清、張夏、王舍人庄等地為警戒陣地，沿鵲山、華山、茂嶺山、硯池山、回龍嶺、千佛山、馬鞍山、臘山、葯山之線構築了主要陣地，縱深達十多公里，有1