突然，城墙上的守军混乱起来，因为他们的身后出现了攻击部队。
被分割在内城里的三连和九连，在与上级失去了联系的情况下，从俘虏的口中得知突破口被守军重新占领。九连指导员刘健和三连连长吕洪团研究决定，以一部分兵力顶住敌人，抽另一部分兵力打回去，策应团主力恢复突破口。他们首先占领了突破口附近的一座楼房，然后组织火力向守军的背后开火。他们的策应令攻城部队当面压力骤减，后续部队得以在短时间内大量登城。
由于突破口狭窄，登城官兵密集，国民党守军的炮火和飞机轰炸给部队造成大量的伤亡。三十七师师长高锐负伤，政治委员徐海珊牺牲。
战后，华东野战军十三纵三十七师一O九团获得“济南第二团”的光荣称号。
9月24日凌晨，王耀武趁乱跑到城外的一个小村庄里，换上百姓的衣服后向东逃亡了。
1948年9月24日，华东野战军占领国民党军第二绥靖区司令部。济南攻坚战役胜利结束。9月28日，王耀武在寿光县境内被抓获。
济南战役，华东野战军经8昼夜激战，以伤亡2.6万余人的代价，共歼国民党军10.4万余人(内起义2万人)，开创了人民解放军夺取国民党军重兵坚守的大城市的先例。济南战役的胜利，使华北、华东两大解放区连成一片，为华东野战军会同中原野战军南下陇海铁路以南举行更大规模的歼灭战创造了有利条件。周恩来后来说：“三大战役的序幕是济南战役。”