遵照毛澤東的指示，粟裕等華野指揮員於8月20日前往曲阜，與山東兵團譚震林、王建安、舒同和部分縱隊首長會合，研究濟南戰役的作戰方針。這是自1947年「七月分兵」以來，華野兩大集團領導的重新會合。
會上傳達了學習中央軍委關於攻濟打援作戰的指示，分析研究了當前全國戰局的特點和華東戰場開掘，對濟南戰役的指導思想、兵團使用、組織指揮和後勤保障工作進行了充分的討論，在此基礎上制訂了攻濟打援的作戰計畫。
會議認為，濟南城堅兵多，將是「一次嚴重作戰」，但守軍也有弱點可利用。國民黨軍內部，中央軍與地方軍，嫡系與非嫡系部隊之間，矛盾重重。王耀武置中央軍於東部，顯然以東線為其防禦重點。我軍將主攻方面選擇為西部，首先奪占機場，這將大大出乎王耀武意料之外，俟他明白過來為時已晚。西部守軍整編第96軍軍長兼整編第84師師長吳化文已有棄暗投明的表示，繼續爭取有可能戰場起義，這就可能使濟南西部防禦出現缺口。首先攻佔機場，即斷絕了守軍唯一的空中補給，在心理及精神上將給守敵以嚴重打擊。攻濟作戰要從最壞的情況考慮，從思想準備、兵力部署上，做好應變舉措。此役以攻佔濟南為主要目的，並求殲援軍一部或幾部。在兵力使用上，要以足夠的兵力攻城，以主力打援。打援與攻城兩方面都要留有強大的預備隊。
會議決定，以華東野戰軍總兵力的44%、約14萬人組成攻城集團，攻城集團分東、西兩個兵團，由東西兩面鉗形攻擊；以總兵力的56%、約18萬人組成阻援、打援集團，夾運河而陣，築構多道阻擊陣地，以便隨時轉用兵力。
攻城西兵團，由第3、第10縱隊、魯中南縱隊4個師又4個團編成，由第10縱隊司令員宋時輪、政治委員劉培善統一指揮。首先攻佔和控制濟南機場，並抓住一切有利戰機攻佔商埠，而後在東兵團協同下攻入城內；另指揮兩廣縱隊與野戰軍警衛團圍攻長清，冀魯豫軍區部隊一部圍攻齊河。
攻城東兵團，由第9、勃海縱隊共5個師編成，由第9縱隊司令員聶鳳智、政治委員劉浩天統一指揮。首先肅清濟南東郊防禦地帶據點，而後協同攻城西兵團攻城；另指揮渤海軍區部隊攻佔濼口，控制黃河鐵橋，而後向南突擊。
以特種兵縱隊炮兵第1團（欠1個營）、第3團（欠2個連）及山東兵團炮兵團組成2個炮兵群，分別配屬攻城東、西兵團，支援攻城作戰。
以第13縱隊為攻城集團預備隊，配置在濟南東南的上港、西營之間地區，隨時準備投入攻城作戰。
阻援、打援集團採取「夾（運）河而陣」的部署：以第4、第8縱隊及冀魯豫軍區獨立第1、第3旅，位於金鄉、城武（今成武）、巨野、嘉祥地區，構築若干道防禦陣地，形成多梯次、大縱深防禦，堅決阻擊可能由商丘、碭山地區北進援軍；以魯中南縱隊4個團及第7縱隊一部於官橋至滕縣之間地區，構築防禦工事，節節阻擊可能由徐州北上援軍。以第1、第6、第7縱隊主力、中野第11縱隊及蘇北兵團第2、第12縱隊，另配屬特種兵縱隊炮兵第2團、第3團2個連，集結於濟寧、兗州和滕縣以東地區，待機殲擊沿津浦路北上援軍。
蘇北兵團一部和軍區地方部隊在廣大民眾配合下，積極向當面出擊，破壞津浦路、隴海路，配合主力作戰。
根據中央軍委指示，決定攻城集團由山東兵團司令員許世友、政治委員譚震林、副司令員王建安統一指揮，華東野戰軍「全軍指揮，由粟裕擔負」（《毛澤東軍事文集》第5卷，第7頁）。9月16日發起攻濟作戰，以15天至20天攻克濟南。華東野戰軍前委於8月31日將作戰計畫上報中共中央軍委審批。
9月2日亥時，中央軍委複電同意華東野戰軍的作戰計畫和部署。