9月16日晚上。
许世友用电话对所有攻城部队下令：总攻开始！
接着人们就听到了惊天动地的枪炮声，济南守军犹如惊弓之鸟。几个小时过后，我东线集团的9纵以迅雷不及掩耳之势攻占了茂岭山、砚池山。
与此同时，西集团也扫清敌人外围，打到了长清、琵琶山、腊山一带。
王耀武坐立不安，他对几个高级将领说："共军主攻方向在西边，他们的目的是夺取机场，切断我空中联系。因此，我们的预备队都要拉到西边去。"
预备队还没有拉上去，王耀武又接到了东边砚池失守的电话，他只好急调57旅去增援，但他们根本不是9纵的对手。
第二天，王耀武在作战室对作战处长李昆说："现在共军不停地攻打，是否真的要攻城难说呀，部队得立即调整。"
"是的。"
"我说你记录，要很快传下去。"
"是！"
"命令晏师长迅速从古城以西把19旅和57旅拉回城里，向城东茂岭山、砚池山攻击，一定要夺回那两个阵地！
"命令73师预备队与10旅合力向共军反击，坚决夺回丢失的阵地！
"命令西郊飞机场空军从本场起飞战斗机，对茂岭山、砚池山实施低空扫射轰炸！
"将目前战况和我的部署立刻报告徐州剿总刘、杜司令官。并报告南京统帅部。"
调整并没有改变日渐恶化的战局，第19旅在飞机的配合下，攻到马家庄就再也攻不动了。
王耀武在电话里对19旅旅长说："你们得挺住啊！"
赵旅长很忧伤地回答："司令，我们实在攻不上去了！"
"我知道你们打得很苦了，但还得顶住。你们19旅全体官兵的战斗精神是一流的，马家庄阵地一定要夺回来，这关系到济南决战的全局，我相信你不会使我失望的！"
赵旅长说："那我就再攻一次吧！"
"你要亲自督阵！"
"我一定上。"
又打了多半天，赵旅长估计损失了大约有一团人马，就冲出指挥所准备后撤。一颗炮弹落下来，将赵旅长炸翻在地上，警卫将他扶起，屁股上已流血了，他很沮丧地挥手说：
"都给我撤吧！"
与此同时，燕山那边的战斗也进行得相当激烈。
攻打这个山头的是9纵78团2连。9月18日晚上，连长对大家说："我们拿下这个阵地很不容易，现在敌人要反扑，我们一定要死守啊！"
一班长站起来，举着手榴弹说："人在阵地在！"
一个老兵，虽然已断了一条腿，仍说："连长放心，我们虽说伤亡了一多半人，但宁死也不能后退。"
他们立即跳进工事做准备，敌人又疯狂地攻上来了。剩余的40多名战士在连长的带领下冲出战壕与敌人展开肉搏战......
吴化文还没有动静。宋时轮急了，他对一个团长说："打！此人不打不可能下最后决心。"
团长说："不行啊！兵团有命令。"
"你给我要许司令！"
电话很快就接通了，宋时轮对许世友说："许司令，我们不能等吴化文起义了，得打他！"
"再等一下嘛！"
"等什么，他这样按兵不动，我怀疑他是否有起义的诚意，我的队伍已经靠近吴部的阵地，他仍死守不动，我们必须打击他一下"
"好，我同意，先打！"
当天下午，许世友又向吴化文发去了最后一份电报，其内容共有三点：
一、请将贵军团以上部队的位置电告；
二、我军到达后即将阵地转变我军，贵军主力即退入火车站以北扎营，另一部控制纬十路以西地区，准备接我军进入市区。
三、设法打通与路口桥之联系。
吴化文接到电报后很生气，他仍是观望态度，原定17日召开团以上军官会议，布置起义的事，但却没有这样做。
他的副官问："现在我们怎么办？"
他说："我吴化文起义简直是让人家卡着脖子走了嘛！"
"不能......"
"不要说了，等等再说。"
吴化文坐在沙发上发呆，夜已经很深了，此时他想到的是自己的父母。
他站起来拿着摆在桌子上的半杯酒喝了一口，第二口还没有来得及喝，电话铃响了，他一手举杯，一手抓起话筒，说：
"我是吴化文啊！"
"报告军长，宋时轮的人已打过来了！"
"说什么？"
"他们已将我们一个加强营收拾了，怎么办？"
"打，只有打才有饭吃，你们要与阵地共存亡！"
"好，我们开火。"
几分钟后，共产党派到他身边的地下工作人员黄志平和李昌言推门进来，瞅着他说：
"吴军长，你怎么说话不算数？"
"是共军打来了呀！不还击怎么行？我的600多人已被他们打光了。"
李昌言给他点了一支烟。吴化文的情绪渐渐稳定下来，李昌言说："还是请吴军长冷静一点，你应命令部队快撤出阵地。"
吴化文说："我先撤下来，宋时轮肯罢休？是他们不守信义，攻打我的人马嘛！"
"是你迟迟不往后撤才造成两军冲突。"
"笑话，我早已答应过要起义的，但时间没有成熟，他们却动手了。"
"顽固抵抗是没有什么用的。"
吴化文没有表态，低头吸烟。李昌言说："如果吴军长按原计划撤退，不会有什么事的。如果不撤，真要撕破脸皮，解放军也不会害怕，会集中火力攻击。还是请姐夫三思啊！"
吴化文听到这话，脸色大变，将手在桌子上一拍：
"好，我马上下令停火，请你们报告上级，我吴化文晚上就行动。你们回去问一下，看怎么起义。"
当天晚上，李昌言一行就回来了。
吴化文急切地问："怎么样，有何指示？"
"3纵的孙司令已经向他的部队下达了停火命令，希望你能早举义旗。"
一小时后，吴化文将96名团以上军官召集起来开会。会议是在他的96军军部开的。他瞅着大家说：
"现在济南告急，徐州方面说将派两个师来增援，一天过去了，援兵在哪里？这全是骗局嘛。蒋介石对我们杂牌军怎么样，你们都清楚，他是想借共军的手消灭我们呀！"
有人说："是的，南京不能相信了。"
吴化文说："把诸位叫来，就是共同商量我们的前途。只要你们还信任我，就得听我的，不听也行，我先把丑话说在前面，我吴某人的脾气大家是知道的。"
人们大眼瞪小眼，不再发表议论，会场的气氛变得更加沉闷。吴化文望着大家讲道：
"我吴某人历来是主张交情的，也是一心为兄弟们着想的。如果为了个人享清福，共军一打炮，我坐飞机就去香港或美国，吃喝一辈子没有问题。
"但我不能这样，我是为了3万兄弟啊。今后有我吃的饭，就有大家吃的饭，你们不必担心。我已派人与陈毅将军讲好了，决定脱离蒋介石，希望诸位能和我一道起义。"
没有人举手反对。他又接着说："兵贵神速，一切按命令执行，违者军法论处，你们回去快做准备吧！"
这一夜吴化文根本没有合眼，他很兴奋，经过一番痛苦的思想斗争之后，他终于投奔了光明。
第二天清晨，即9月20日。吴化文率部撤出阵地，将全部队伍集结在铁路以北和洛口以南地区等候命令。
接着就向全国发表了起义通电：
自倭寇入侵，全国燃起抗战烽火。化文等于抗日初期，奋起御侮，并无二致。嗣受蒋戏曲线救国政策所愚弄。丧失民族立场，铸成大错。
抗战胜利以后，人民创巨痛深，及复昧于大义，重受蒋贼欺蒙，参加反共反人民内战，一错再错，罪孽弥深，深夜门心，惭愧交迫......
唯一出路，即为起义加入人民解放军，痛改前非，以将功赎罪，果能毅然为此，愿能得到人民之谅解。决于9月19日率全体官兵，在济南战场起义，走向光明大道。
吴化文突然起义，我西线集团乘虚东进，很快就占领了机场。济南东西外围防线被突破，躲在济南城里的许多省府官员都逃跑了，王耀武拍着桌子说：
"这下完了，吴化文投敌，济南城怎么还能守住呀？"
副官说："我们也走吧！"
"废话，往哪里走？传我的命令所有外线部队立即往城里收。"
王耀武一边调兵遣将，一边将吴化文起义的情况和济南战况报告蒋介石，请求放弃济南，率部突围。蒋介石接到电报后，连夜电告王耀武：
"吴化文有失党国军人气节，是我军的败类，望你们收缩阵地，坚守待援，不能轻易突围。"
攻城部队节节推进，许世友笑着对谭震林说："吴化文有功啊！如果他不撤出去，我们的进攻就不会这么顺利，还是你说得对，对待此人就得采用军事手段和政治手段。"
王建安讲道："还是许司令决心下得好，如果宋时轮他们不打一下，吴化文也许还在观望哩。"
"是的，"谭震林端起水杯说，"像吴化文这样的将领思想变化很难掌握，随时都有可能变嘛。"
吴化文起义受到了人民的欢迎，也得到了华东局和华野首长的赞扬，就在他发表通电的第二天，中央军委主席毛泽东就发来了贺电：
贵军长率部起义，发表通电，决心参加人民解放事业，极为欣慰。
中国共产党站在人民立场上，对于任何国民党军队的官兵们，不问其过去行为如何，只要他们能够在人民解放战争的紧要关头，幡然觉悟，脱离国民党政府的反动领导，加入人民解放军阵营，坚决反对美国帝国主义及其走狗国民党反动派，即表示热烈欢迎。
贵军长等此次义举，符合人民的希望，深堪庆贺。尚望团结全军，力求进步，改善官兵关系、军民关系，为革命战争在全国的胜利而奋斗。
吴化文读完这份贺电，热泪夺眶而出，此时队伍正在休整，他将团以上干部召集起来，激动地讲道：
"我们的路是走对了啊！从现在起，我们就调转枪口去打蒋介石，争取为人民立新功，谋一个光辉前程。"