軍委和毛澤東主席對戰役采取極其慎重的態度。根據山東戰場敵我力量對比，28日指示華野：“我們不是要求你們集中最大兵力，不顧一切硬攻濟南，這樣部署是非常危險的。我們要求你們的是以一部兵力真攻濟南，不是佯攻，也不是隻占飛機場，而是集中最大兵力於阻援與打援。”
軍委著重提出的集中最大兵力阻援打援和真攻濟南，給粟裕以很大啟示，中國革命戰爭已發展到了最後奪取大城市的新時期，應以新的發展的觀點來認識殲滅敵人有生力量和奪取大城市的辯證關係。以往，不論“攻城阻援”還是“圍城打援”，都是為了殲滅敵人有生力量；濟南戰役則不僅為了殲敵有生力量，而且為了將大城市永久地鞏固占領之。這樣，我軍則無後顧之憂，可以集中更大兵力去爭取前所未有的更大勝利。
華野前委一致擁護中央軍委和毛澤東提出的這一方針。根據戰場的實際情況和軍委的指示，粟裕決定將參戰兵力40％組成攻城集團，56％組成打援集團。攻城集團兵力為6個半縱隊及特種兵縱隊大部分，以及地方武裝共14萬人，由許世友任攻城集團司令員、譚震林兼政治委員、王建安任副司令員。以山東兵團領導機關作為攻城集團的領導機關。打援集團兵力為8個半縱隊及特種兵縱隊一部分，以及地方武裝共18萬人，由華東野戰軍司令部直接指揮。
毛澤東同意了華野的方案。9月10日，許世友到達攻城集團指揮所，次日，毛澤東給他發電，明確指出：“此次作戰目的，主要是奪取濟南，其次才是殲滅一部分援敵。但在手段上即兵力部署上，卻不應以多數兵力打濟南。如果以多數兵力打濟南，以少數兵力打援敵，則因援敵甚多，勢必阻不住，不能殲其一部，因而不能取得攻濟的必要時間，則攻濟必不成功。”
麵對敵人的防禦情況，粟裕著重從兵力部署上分析了敵人守城的重點。濟南守城之敵，在王耀武統一指揮下，分為東、西兩個守備區，守備東線的是中央軍，守備西線的是雜牌軍吳化文部。濟南守敵既然將中央軍置於東線，顯然以東線為其重點。西線守敵69軍軍長吳化文，在戰役前曾有棄暗投明的表示，可能在戰場起義，這就可使敵防線出現缺口。同時敵人的機場在城西，攻下機場，可切斷敵人的空中補給線，不但可以斷絕敵人兵力和物資的來源，而且能夠給敵人以精神上的嚴重打擊。
為此，粟裕決定將攻城兵力重點首先用在西線。華野將攻城集團也分為東、西2個兵團，由東、西兩麵向濟南實施鉗形夾擊。西兵團以第3·縱隊、第10縱隊、兩廣縱隊、魯中南縱隊（4個團）及冀魯豫軍區一部兵力組成，由第10縱隊司令員宋時輪、政治委員劉培善統一指揮；東兵團以第9縱隊、渤海縱隊（6個團）及渤海軍區一部兵力組成，由第9縱隊司令員聶鳳智、政委劉浩天統一指揮。此外，以第13縱隊為攻城預備隊。特種兵縱隊組成兩個炮兵群，分別配屬給東西兵團。
至於打援集團，我軍采取“夾運（河）而陣”的部署。在運河以西配置第4縱隊、第8縱隊和冀魯豫軍區的2個旅，依托水窪地帶，構築多道縱深的工事，堅決阻擊由魯西南北犯之敵；而將打援集團的大部配置在運河以東，由第1縱隊、第2縱隊、第6縱隊、第7縱隊、第12縱隊、中野第11縱隊及魯中南縱隊（4個團）組成，擬在鄒縣以南集中30個團殲援敵3個旅，而以其餘22個團鉗製援敵的其餘各部，爾後再依情況發展而定下一步作戰行動。
濟南戰役定於9月26日開始，在開始前3天（即13日夜晚），我南線江淮軍區和豫皖蘇軍區部隊開始破擊徐州至商丘、徐州至蚌埠、徐州至運河站的鐵路線並威脅徐州，迫使敵人分兵以防徐州。同時，華野司令部指示淮南部隊破擊蚌埠至浦口的鐵路線，留在蘇北的的33旅向運河線進襲，以配合濟南戰役。
9月9日，粟裕在參加西兵團作戰會議中，得知濟南飛機場及其外圍防守兵力已達5個旅，正日夜趕築工事，第3、第10縱隊進攻均感吃力，至少要拖長時間。當天，粟裕致電許世友、譚震林等人提出：“一、魯中縱隊首先沿大沙河東北攻占大高山、雙山頭、羊洞頂、馬林並轉向黨家莊、井家溝攻擊前進；二、第一步作戰，13縱最好全部使用，如不能全部使用時，至少抽1個師或更多兵力協同魯中縱隊由南攻取飛機場。”