我军东兵团九纵的攻击目标是城东的防御高地茂岭山和砚池山。
茂岭山是济南防御体系中重要的外围阵地，就在这里受到攻击的前几个小时，王耀武还到这里检查了工事。九纵二十五师七十四团的3个连同时发动冲击，四连八班首先攻占一座碉堡，一排在东北角爆破成功，二排在连续攻击后全排只剩下9人，但最终还是将守军压缩到了茂岭山阵地的西南角。2个小时后，七十四团占领茂岭山主阵地，并且迅速扫清山腰残敌。此战，七十四团伤亡巨大，战斗中人员连续合并5次，战后全团只能编成3个排。与此同时，二十五师七十五团在付出重大伤亡后，也攻占了砚池山阵地。
9月18日，战斗集中在西面的飞机场和东面的马家庄。
凌晨2时，在济南以西防御的整编第二师二一一旅旅长马培基让卫兵弄来了月饼，他对独立大队大队长瞿赓扬说：“老弟，我们过个节吧。”瞿赓扬明显感到了马旅长悲凉的心境，言外之意是说不定什么时候就被打死了。吃完月饼，瞿赓扬率领两个连发动反击，这两个连的骨干全是“中美训练班”出来的学生，作战凶猛，果然把当面的一支攻击部队压了下去。
此时，从徐州来的整编七十四师正在空运中，当炮弹落到跑道上的时候，满载后续部队的运输机根本没有降落，立即掉头往回飞。已经被空运到济南机场的整编七十四师的7个连，由五十八旅一七二团团长刘炳昆率队。刘炳昆是王耀武的老部下，尽管他带来的这7个连没有任何武器(因为刘峙连轻武器都没让他们携带)，但是他还是向王耀武要求战斗任务，并且要求把他派到作战最吃紧的地方去。刘炳昆的7个连到军械仓库领取枪支弹药后，被派往东面战斗最残酷的马家庄。
华东野战军攻城东兵团攻占茂岭山和砚池山后，立即向济南外围城垣发起攻击。王耀武命令守军在马家庄一线建立阻击阵地。东兵团攻击部队集中炮火掩护步兵反复冲锋，一度占领了马家庄的一半阵地。王耀武命令十九旅上来增援。东兵团的官兵利用房屋作掩护阻击十九旅，十九旅则在房屋墙壁上打洞强行推进，致使马家庄一线每房必争，双方都付出了很大的伤亡。十九旅旅长赵尧亲手枪毙了十几个溃兵，但依旧不能阻止士兵怯战。战至午后，赵尧负伤，十九旅“死尸累累，伤兵后运，络绎不绝”。
就在战斗胶着的紧急时刻，王耀武听到了一个令他彻底绝望的消息：负责济南城西防御的整编第九十六军军长兼整编八十四师师长吴化文被共产党人策反倒戈了。
9月19日晚，吴化文率整编第九十六军军部和整编八十四师师部以及第一五五旅、一六一旅、独立旅等部约2万人宣布起义，并将济南机场和周围防区移交给了宋时轮、刘培善指挥的攻城西兵团部队。
吴化文倒戈后，王耀武立即派特务团、装甲汽车连加强司令部的警卫，同时分别给蒋介石和刘峙打电报报告吴倒戈情况。此时，王耀武“固守”济南的决心虽然已经动摇，但他还是连夜拟定了固守待援的方案。
9月20日，济南外围防御据点已被全部扫清。华东野战军准备攻城了，血战即将开始。
