8月5日，蔣介石在南京總統府召集華東地區國民黨第1、第2、第3、第4、第9綏區和徐州「剿總」高級將領，就濟南的防備問題召開緊急會議。
蔣介石作了一個短暫的形勢分析後，說道：「共軍下一個目標一定是要攻打濟南。濟南是萬萬不能放棄的。我們在一個點上垮下來，許多點上都會頂不住。我們黨內一些人很糊塗，聽美國人的話，不顧濟南，到徐州去，壘一道牆，阻攔共軍，這真是豈有此理！為了守住濟南，同時也要消滅陳毅部，我們制訂了濟南會戰計畫。」
接著，國民黨總參謀長顧祝同就濟南會戰計畫的具體細節作了介紹：「在濟南遭到攻擊時，2綏區的司令長官王耀武率濟南守軍10萬餘人堅守濟南，以疲憊陳毅部的主力。這時，我部在徐州的第2、第7、第13兵團約17萬人的重兵立即北上，在兗州、濟寧突破陳毅部的防線，擊潰華東共軍，以挽回國軍在山東被動的局面。」
「為了增強濟南的防務，現山東省全境的國軍與地方保安旅統歸2綏區指揮，在青島的整編第32師第57旅和徐州的整編第83師第19旅也立即空運濟南；此外，統帥部還計畫，如果濟南情況危急，可將徐州的整編第74師（孟良崮戰役後重組）空運至濟南。這樣濟南的防務將大為加強。」顧祝同用指揮棒在地圖上山東省的位置比畫了一個圈，繼續說道。
以此會戰計畫為指導，國民黨第2綏靖區司令王耀武在濟南地區精心布防，針對濟南北靠黃河，東有茂嶺山、硯池山，西面地形開闊的特點，確定了縮小防禦圈，重點設防，控制強大預備隊，適時進行反擊的作戰計畫。
據此，王耀武迅速開始了備戰行動。8月中旬，他致電蔣介石，請求將蘇北的整編83師空運濟南，增加防務。請求南京方面向濟南大量空運彈藥、糧食，可供11萬濟南守軍支持兩個月。他命令各部增強工事，凡是重要據點都要挖掘外壕和陷阱，架設鹿砦和鐵絲網，並演練夜間戰鬥動作。在千佛山腳下加緊修築飛機跑道，以防西郊機場失守後應急使用。將城北小清河水閘加寬加高，待共軍攻擊時開閘放水，將城北變成泛濫區，阻擋共軍攻擊。將城中居民百姓編為壯丁隊、糾察隊、擔架隊、輸送隊等，協助國民黨軍守城。王耀武到處視察陣地，督促部隊備戰，每天忙得不亦樂乎。（王耀武：《濟南戰役的回憶》，載《文史資料選輯》第18期）
蔣介石接到王耀武的電報，8月27日電令劉峙和王耀武：將83師空運濟南，限兩周內全部運到。指示「濟南防務應盡量縮小防禦圈，守備要點；控制強大的預備隊，採取機動防禦；注意夜間防禦，勤加演練」。為了儲備充足的糧食，蔣介石於8月10日派出4架飛機，滿載即將作廢的法幣運往濟南。命令王耀用這些鈔票到濟南郊區和解放區邊緣農村搶購糧食。王耀武督促各部執行命令，派出部隊和兵站人員持法幣四處搶糧。濟南周圍百餘里內村鎮百姓的糧食幾乎被搶購一空，而老百姓手裡只拿到形同廢紙的法幣。國民黨當局的倒行逆施激起百姓的極大憤怒，他們說：「蔣介石不打倒，我們百姓活不了！」
雖然增援有限，王耀武還是掌握著正規軍3個師9個旅，非正規軍5個旅，加上特種兵和保安團隊共11萬人，擁有300餘門火炮、迫擊炮，15輛日式輕型坦克。這些兵力守一個濟南城，不能算少。
濟南市區分為內城、外城和商埠三部分，構成基本防禦地帶。外圍防區東起韓倉，西至長清，南至仲宮，北至齊河、濼口。王耀武將外圍分為東、西兩個守備區：73師師長曹振鐸擔任黃河鐵橋至千佛山一線的東區防禦，96軍軍長兼84師師長吳化文擔任自濼口鎮至馬鞍山一線的西區防禦，以19、57旅為預備隊，以保安4旅守齊河，一個保安團守長清。具體配備是：以齊河、長清、仲宮、歷城等縣鎮據點為警戒陣地，能守則守，不能守就退。以濟南郊區制高點鵲山、白馬山、茂嶺山、燕翅山、四里山、千佛山、黃台山為重點防禦地帶，在日偽舊工事的基礎上構築碉堡，挖掘壕溝，布置鐵絲網和鹿砦，形成160個支撐點，縱深近10公里的幾道防禦陣地。
在市區沿商埠和外城挖掘寬深各6米的壕溝，為第一陣地；外城牆為第二陣地；內城牆為最後一道防線。城牆上修築了子母堡和眾多火力點，形成交叉火力，易守難攻。
王耀武在9月中旬視察了濼口、機場、千佛山、燕翅山、茂嶺山等多處工事，感到滿意。他認為外圍能堅守半個月，城區至少能堅守一個月。他對73師師長曹振鐸說：「這樣堅固的工事，共軍想攻下一個據點，都是極不容易的事。我們如果再守不住，真是太無用了。」
曹振鐸口氣更大：「我在抗戰時也沒做過這樣好的堅固工事，我們把工事做好了，就怕共軍不敢來！」王耀武與蔣介石、劉峙達成默契，如果共軍進攻濟南，王耀武負責堅守，劉峙指揮邱清泉、黃伯韜、李彌3個兵團北上增援，以南北27萬人的兵力夾擊華東野戰軍，來一場決戰。（南國防部報告：《濟南會戰》）
然而，就在王耀武高興地等待援軍到來時，劉峙卻唯恐83師調走，徐州空虛，對他不利，以先運彈藥、通信器材為借口，請求緩運83師。到9月12日，僅將83師的19旅運到濟南。
9月10日以後，王耀武得到各地情報，說共軍已向濟南迫近，總兵力估計有20萬。王耀武見援軍遲遲不能運到，非常著急，9月15日親自到南京向蔣介石告急。王耀武說：「共軍大部已迫近濟南，有即攻濟南的可能。共軍的戰鬥力確比過去增強得多了，以他們攻佔濰縣、兗州的情況來看，他們已經具有攻堅的力量和技術。如不增加一個師，濟南是守不住的。請求將74師（孟良崮戰役後重新組建）空運濟南，固守濟南才有把握。」
蔣介石答應王耀武的要求，調74師增援濟南，同時指示王耀武：共軍的戰法是猛打猛衝，只要頭幾天穩得住，他們的攻勢就會受到挫折。我軍已經準備了強大的部隊增援濟南，如果共軍一旦攻濟，援軍會迅速前進；待援軍到達兗州時，濟南方面要抽出兩個師出擊，以南北夾擊打敗共軍。王耀武得了指示，稍覺定心，匆匆飛回濟南。他回到濟南的當天夜裡，華野部隊就在濟南外圍打響，拉開了濟南戰役的序幕。