在此期間，蔣介石頻頻調動飛機，晝夜不停地對我軍占領的商埠、外城等地狂轟濫炸。敵機還扔下大量燃燒彈、照明彈，城裏城外，如同白晝。我各路突擊部隊，完全暴露在敵人的火網之下。
夜深了，攻城集團指揮所裏鴉雀無聲。許世友心裏十分清楚，全線千軍萬馬下一步如何動作，全決定於領導的指揮了。許世友盯著牆上的作戰掛圖，緊張地思考著。一著不慎，就會給整個戰局帶來莫大損失。有的人認為，參戰部隊鏖戰7天7夜，未得到休整補充，有些部隊建製打亂，傷亡大，缺員多，繼續攻下去難以奏效。因此，他們主張將攻城部隊連夜撤出，進行休整，而後重新組織攻擊。也有的人不同意這種意見，他們主張堅決往裏打。9縱聶鳳智表示，他們還有5個比較完整的團，部隊已經做好再一次攻擊的準備。許世友覺得，在這個節骨眼上，攻城的決心不可動搖。從戰場的情形看，敵人的四道防線盡失，被我軍團團圍困在內城之中，慌亂不堪，敗局已定。我軍不少團、營建製尚較完整，仍具有一定的突擊力。如果我軍撤下來休整，外圍陣地得而複失，前功盡棄。還要估計到，王耀武很有可能趁我部隊後撤時來個反衝鋒，使我軍欲攻不克，欲撤不能，大大增加部隊的傷亡。在這種情況下，隻能打，不能撒！同時，從戰役全局著眼，贏得了時間，就贏得了勝利。中央軍委曾來電指出徐州方向援敵有出動可能。速克濟南，爭取的時間越多，我軍就越主動。這樣既能徹底打掉徐州之敵北援的企圖，又能早日為我軍南下作戰開辟通道。
譚震林完全同意許世友的意見，他們遂於深夜下達命令，全線再一次組織攻擊，由東、西線集團兩麵對攻，一定要把內城拿下來。
24日1時30分，各路突擊部隊像一把把永不卷刃的鋼刀，直刺敵人的心髒。極捷的電話一個接著一個。
9縱隊司令部報告說：“2時25分25師73團有兩個營突進內城。”
13縱報告他們37師109團早先突進去的2個連隊，孤軍奮戰在敵陣中，趁天將破曉之際殺了個“回馬槍”，與城外的突擊部隊裏應外合，重新撕開突破口。
兵團立即下達命令，叫各縱隊後續部隊不惜一切代價，鞏固和擴大突破口，投入縱深戰鬥。
我東、西線集團多路突人內城，勢如破竹。守敵節節敗退，紛紛就擒。我指戰員追殲殘敵，愈戰愈勇。逐樓逐堡地分割與消滅頑抗的敵人，打向王耀武的指揮所。喪魂失魄的王耀武命令他戰車營的所有坦克和裝甲車，在烈火熊熊的街道上瘋狂地反擊、掙紮，但在人民戰士麵前卻一輛又一輛的接連被擊毀。
這時我13縱某團2營繞過坦克，直撲向縱深。把國民黨省政府的“省府”大門緊緊地包圍了起來。5連3排攻擊正麵，1排悄悄地向敵人側後打去，3排以一挺重機槍和2挺輕機槍封鎖了大門。最前麵的6支衝鋒槍“嘩嘩”地掃射，小炮彈飛速地跟著打進內院。敵人支撐不住了，紛紛舉手投降。3排直撲“主席辦公室”。副排長王金香躍進院子裏幾棵樹中間的電話線杆旁，這時一個敵人從棚子下麵的麻袋工事裏鑽出來招呼道：“別打！別打！這裏有人。”刹那間，王副排長的湯姆槍早壓在麻袋工事上。喊道：“不許動！”“把槍都繳出來！”地下室裏惶恐不安的王耀武的少將參謀長羅幸理和第二綏靖區少將處長張介入，隻好派出國民黨省政府的總務處長向我軍接洽投降。
再說王耀武看到局勢已經絕望，即派15旅高子日團的一個營及特務團的一部，於9月24日上午11點，從北極閣通過出城的坑道向北突圍。在解放軍集中精力與突圍的部隊作戰時，王耀武就在一個小村莊裏化好裝，命令自己突圍的部隊向後撤退。王耀武乘解放軍追擊後退的國民黨軍隊的時候，即向東溜走，雖逃出重圍，但逃到壽光縣，即被我地方武裝查出捕獲了。第二“綏靖”區副司令官牟中珩在19日吳化文部起義後，就在19日夜帶著衛士化裝成難民，混出濟南，經張店、益都向青島逃跑，行至高密縣，即被民兵查獲。軍管區副司令聶鬆溪在濟南解放時，即換了便衣藏在老百姓家裏，企圖待機逃往蔣管區。當他親眼看到解放軍不拿老百姓的一針一線，紀律良好。共產黨為了不使人民遭受損失，還叫人民拿著已成廢幣的法幣，照人民政府規定的比例，換取解放區通用的北海幣。他還看到國民黨軍受傷的官兵均由解放軍收容治療。他在大受感動之下，認為解放軍不會殺他，就自動向我軍投降了。整編第2師師長晏子風，在該師被殲滅時，就帶著幾個隨從人員穿上便衣，冒充百姓，混出濟南，向青島逃跑，在途中被查獲。
而我軍活捉國民黨山東省黨部主任龐鏡塘的故事則帶有傳奇色彩。濟南戰役勝利結束後，為保證首長正確部署南下的行動，上級命令我19師57團偵察隊，立即組織一支小分隊，迅速挺進臨城一帶敵占區，了解敵情，待機捕捉俘虜。限他們在3天之內捉兩個舌頭來。