我攻城部队在外城战斗尚未结束的当天（23日）黄昏，遵照攻城兵团司令员强攻内城的决心，采取四面包围、东西向心突击，东面仍以第9纵队从内城新东门外以南突击，以城东南角为主要突破点。西面以第13纵队从城西南坤顺门方向突破。第3纵队从哈德门（城西门）突破，与城东南突击的第9纵队形成钳击内城的两把利剑，并以渤海纵队从城东北面的包围相配合。第10纵队和地方武装担负歼灭外城东北部残敌并威胁内城西北部相协同配合。
9月23日18时，总攻济南内城的激烈战斗开始了！
（一）
商埠与外城战斗的迅速结束，王耀武固守济南的信心动摇，连忙发电报给蒋介石请示：“可否一举突围。”蒋介石复电，要他“坚守待援”，王耀武无奈，重新调整部署，作垂死挣扎，只好把希望寄托在我军连续作战，消耗疲惫有待休整数天后才能进攻内城的盘算上。他不曾料到外城战斗尚未结束的当天（23日）黄昏，我军便从四面八方发起了强攻内城的战斗。
王耀武面对我军的凌厉攻势，不断向南京、徐州发电求援。蒋介石、刘峙也一日数电给予回复，但都是一个腔调，即令王耀武固守待援。”王耀武心里清楚，“待援，待援，天晓得援兵在哪里？”
无非叫他与济南一起完蛋！但王耀武不甘心默默待毙，一边组织残兵败将顽强抵抗，一边继续向蒋老头叫苦求援。
城内守敌完全明白自己处于四面楚歌、孤城作战的险恶境地，一旦内城失守，便是全军覆没，王耀武更如输红了了眼的赌徒，一面苦苦哀求蒋介石、刘峙赶紧派兵援救，一面声嘶力竭地严令各部拼死顽抗，不准后退一步，同时又紧急拼凑机动部队组成配属有坦克的反击力量。守敌依托高大城垣，居高临下，以密集的火力向我爆破和登城部队进行疯狂反击。
济南内城守敌是王耀武的精锐部队：第15旅、19旅、57旅、77旅和特务旅约5万人。内城比外城高，城高8米至12米，城厚8米至9米，沿城墙每隔70米到100米有一个向外突出4米的古炮台，之间每10米有一个子堡，每30米有一个母堡，堡之间有各种掩体，附有电网。城门楼筑成火力支撑点，城门外有两个大型碉堡。30米至50米有一地堡，下面有通城里的地道，最外层有护城河，水深及胸，易守难攻。
第13纵队首长决心以第37师并指挥第115团担任主攻，由坤顺门及以北实施突击。第38师主力随37师跟进，视情加入纵深战斗，协同第37师向伪省政府发展进攻，肃清城西半部守敌，一部担任翼侧警戒与第39师（欠115团）继续监视外围残存据点之敌，准备堵截逃敌。
第37师为攻城西集团主力，高锐师长决心以第110团从坤展门突破。第109团从坤顺门北侧突破。第111团为师预备队，准备进入内城纵深战斗。师炮兵营分别配属给第110团和第109团。纵队山炮团由师指直接指挥。第115团位于青龙山一带，准备堵截可能突围之敌，并担任第37师预备队。
高锐师长指示纵队山炮团政委韩琳，将两门山炮配置在齐鲁医院二楼，准备实施直接瞄准射击。
9月23日下午，第109团团长田世兴和团副参谋长梁风岗一同来到该团3营前沿阵地。田团长一见3营长张世礼就关切地问：“小张，怎么样？我来看看。”3营营长说：“团长你放心，一切准备就绪就等你命令了！我们一定不辜负首长的信任！”因为，3营在以往的战役中总是当“配角”，这次攻内城担任主攻，心中无限欣慰，信心百倍。接着，他向田团长反映该营8连连长的意见，要求上级能配给几门山炮或者是92式步兵炮，以便有效地摧毁敌人城墙上地堡，田团长很干脆答应了。最后田世兴团长和梁风岗副参谋长在3营营长陪同下，猫着腰，越过几道矮墙，看了两三个地方。又来到8连前沿直瞄火炮射击阵地，在一处断墙下观察敌人目标。田团长观察完后。回到一座房子里，再从墙上打个观察孔，仔细观察，这时，加强给3营的师山炮营教导员林均芝等干部来了，田团长又带着炮营的干部到观察孔赋予抵近射击任务。突然间，敌人冷枪射击，一颗子弹击中他的右眼，从右颊射出，又穿到副参谋长梁风岗的左手，田协长当即倒在粱副参谋长的怀里。“男儿有泪不轻弹，只是未到伤心处。”此时的梁风岗极度难过，眼眶湿湿的。其他在场的同志和梁风岗一样难以控制悲痛的感情，决心化悲痛为力量，打好内城这一仗。团长伤势严重，即刻大力抢救，迅速转运后方医院。在此关键时刻，一位优秀团指挥员突然负伤而不能实施主要指挥，纵队、师领导感到心情沉重，于是命令第109团政委张志勇、副团长王建中，按预先计划组织攻城。师长高锐考虑到王副团长指挥攻城，实战经验不足，与师政委徐海珊，研究确定委派师副政委丁钊到109团加强指挥。丁副政委原担任过109团团长兼政委，对营、连指挥员情况熟悉，他到109团指挥攻城就万无一失的。
张志勇政委回忆写道：
……经过团党委研究决定，由3营担负攻击内城的主攻营。3营没有单独打过突破口，成立得也较晚，是1946年秋才组建的。3营的新兵多，干部都是从一些不同的单位调来的，战斗经验比较少，攻打前两道防线都没有用他们。但是，3营指战员思想稳定，军事技术过硬；营长张世礼同志是重机枪手出身，军事技术好；教导员牟灿同志模范作用突出，作战顽强。这样的营队作为攻城突击营，应该能顺利完成任务。战前，我照例又到了3营进行动员。
了解指战员临战前的一些思想反映。突然通信员急匆匆地跑过来向我报告说，团长在抵近前沿阵地勘察地形时，遭到敌人的狙击，一只眼睛被击中，伤势很重。我急忙随通信员赶回团部，一边派人送团长到师后方医疗所治疗，一边打电话向高锐师长报告情况，并向师长坚定表示：“请师长放心，我团保证能继续完成任务！”放下电话后，我内心的隐痛久久不能平息。
田世兴同志是山东青岛外围即墨人，抗战初期参加八路军，从基层逐级成长起来，经过严酷的战争锻炼，作战经验丰富，多谋善断，抓部队训练，抓部队管理的能力都很强。他工作认真细致，每次战斗都要亲临最前沿侦察地形，收集敌情，具体交待任务，多次出色完成战斗任务。我与田世兴同志共事多年，相互关系很好。
我最早认识他是在1938年，那时我在胶东军区第65团3营营部当干事，他哥哥田世磊是营长。抗战期间，他的两个弟弟和一个妹妹都相继在革命战争中牺牲，他的嫂嫂由于家里没有亲人，无法生活，只好抱着一岁的婴儿到部队找哥哥田世磊。革命的家庭，苦难的生活经历，对团世兴同志成长起到了一定的作用。田世兴同志对敌人嫉恶如仇，对战友关心爱护，体贴入微。我到第109团之前，在110团任副政委时，打掖县城后背曾受过伤，当时在医院治疗时已取出过一颗子弹了，刚到团里当政委时，不知为什么，每次行军时，我总感到右肩下部有些不舒服，肩膀抬不高，而且还伴有酸痛。田世兴同志知道后，细心地为我检查，结果在我的右肩部皮下发现了一颗子弹头。他风趣地对我说：“老张，你的命可真大，将来必有大福！”不过我倒觉得挺奇怪，怎么在后背部受的伤，子弹却能跑到右肩部呢？
眼下我们马上就要攻城了，在这关键时刻，作为一个主攻团的团长突然负重伤离开火线，而副团长王建中组织指挥攻城的战斗经验又不足！作为团政委的我在痛惜之余，感到压力尤为沉重。
师里可能也考虑到这种情况，很快就派了师副政委丁钊同志到我团来帮助指挥战斗。丁钊同志原是我团的团长兼政委，组织指挥经验丰富，对全团的干部很熟悉，威信高，营，连干部对他也很信任，这些都利于他来团加强指挥。他的到来，减轻了我的压力，增强了作战信心。
丁钊将军回忆写道：“……我临战受命，去完成突破敌人的最后一道防线——内城的艰巨任务，自然感到这副担子既光荣又沉重，但我还是很有信心完成这一任务的。因为我到师工作前，是这个团的团长兼政委，亲自带着这个团打过仗。对这支部队很熟悉，部队对我也熟悉，上下之间都很信任。政委张志勇同志在部队中威信很高，多年来与我合作得很好，团的3个营长田军、官本江、张世礼，抗日战争时期我同他们是一个营里的老战友，扩编为团后，仍在一起，彼此了解很深。我满怀信心地赶到团指挥所，一头钻进紧张的战斗准备中去。通过现场察看，了解了敌情和团的作战部署，认为田世兴同志的作战部署是适当的，营、连干部的情绪没有因为团长突然负伤而引起大的波动。我对政委张志勇同志和各营长强调，要认真贯彻落实田世兴团长的决心和作战部署，坚决在这道坚固的城墙上尽快打开突破口，为大部队进城开辟通道。”
（二）
9月23日18时，总攻济南内城的战斗打响了！一阵阵猛烈的炮火射向济南最后一道屏障，城头上顿时响起了惊天动地的爆炸声，一时间火光冲天，硝烟弥漫，砖石飞迸。城头上的几个大碉堡首先被击毁，支援109团的92式步炮也把内城外墙角下威胁我爆破员实施爆破的3个地堡给彻底摧毁了。但左边城角的2个角堡未被完全摧毁，哑巴片刻又复活了，以密集的火力封锁了我爆破员前进的道路。在敌炮火反击中，7连连长不幸被敌击中，干部全部伤亡，7连失去了指挥。在这危急关头，3营营长张世礼和教导员牟灿决定由7连2排长吴庆先代理连长指挥战斗。事实上，当时吴庆先同志已主动站出来指挥全连继续战斗了。
敌人的炮火反击持续不断，大量的炮弹雨点般地向我阵地附近倾泻。为了实施对爆破的不间断指挥，3营将指挥所移至8连阵地附近。19时左右，8连开始爆破，接到命令的勇士们抱起炸药包，一跃而起。像离弦之箭一样冲向爆破目标。1排爆破班送了三、四包炸药，炸塌了护城河堤岸。架桥班随即开始在护城河上架桥，但因水流较急，桥被水冲歪了，不能使用。清况紧急，战机稍纵即逝，爆破员不待把桥修好，就抱起40斤重的炸药包，跳进齐腰深的水中，冒着敌人的炮火，连续送了五、六包炸药，又炸开了城墙根的铁丝网，炸毁了敌人的城脚堡，打开了一条通往城墙的通道。
不待敌人喘息，8连又开始对城墙实施爆破。但40斤重的炸药包连送十几包，却只炸了一个浅坑，效果不佳。当时原因不明，只能靠加大药量来提高爆破效果。后来才知道，是对缴获的美制TNT炸药药性能不懂，使用不当造成的。
正当8连紧张地进行爆破时，敌人突然集中炮火对我实施猛烈反击，大量的燃烧弹落了下来，城墙上的明暗火力一起向我射击，火焰喷射器喷出一条条火龙，把通往城墙的道路烧成一片火海。但我8连的勇士们毫无惧色，冒着敌人的枪林弹雨，穿过熊熊烈火，继续实施爆破。连续爆破了近1小时，至23时，已送了40至50包炸药，药量达1000多斤，将城墙半腰炸开了一个约3米高、2米宽、1米多深的洞，但登城通道仍没有炸开。
时间紧迫，焦急万分，关键时刻3营副营长张本信主动要求去8连组织实施爆破。24日4时，我再次对敌发起总攻。8连在炮火掩护下，向新选的爆破点再次进行连续爆破。吸取了上次炸药使用不当的教训，这次加大了雷管使用量，果然，一阵阵惊天动地的爆炸声后，城墙被炸开了一道2米多宽的大口子，突破口打开了！此次爆破，8连6班长班周元志，表现非常出色，一口气完成了10次爆破任务，但当第11次爆破时，不幸中弹光荣牺牲了。
战后该同志荣立了一等功，被师授予“爆破英雄”称号。
7连9班，接连几次，终于把云梯架到了城墙上；8连火速攀梯登城，一举占领了突破口；7连、9连也随后迅速登城。7连登城后即沿城墙向两翼扩展和巩固突破口。
1营接续登城，但也付出了重大牺牲。3连跟随9连攻进城内，1连、2连协同3营向左右两侧继续巩固扩大突破口。
敌第77旅不甘心失败，疯狂地向突破口实施反击，一时间突破口上枪声、炮声、喊杀声响成一片，我部将士面对众敌毫不畏惧，与敌展开近战肉搏，战斗十分激烈。8连代理连长吴庆先指挥只剩下30多人的连队，毫不退缩，顽强战斗，多次打退了敌人的反击，誓死保卫突破口；团副参谋长梁风岗负伤不下火线坚持指挥战斗；3营副营长张本信看到7连伤亡严重，有的排从30多人减少到五六个人，他毅然从伤员手中接过轻机枪向敌人猛烈扫射，并大声喊道：“同志们，守住突破口就是胜利！”他在城头上一面指挥战斗，一面用机枪打退敌人5次反扑，两次负伤不下火线，直至壮烈牺牲；1连“青年战斗模范班”8班13人苦战两小时后，仅剩下姜炳启一个人，仍坚持战斗（战后荣获一等功臣）；1连1排机枪班长曲光喜左臂被炮弹打断了，鲜血染红了半个身子，当敌人冲上来时他顾不得包扎又用另一只手抓起铁锹、砖头继续战斗，直到最后一秒钟，把机枪扔到城外，壮烈牺牲；7连炮排排长王玉亭（战后荣获一等功臣）把60炮竖起80度角射击：战士刘学顺把60炮弹当手榴弹扔出去消灭敌人。在激烈的战头中，后面的弹药送不上去，砖头、锹镐和钢盔都成了勇士们杀敌拼搏的武器，誓与敌人血战到底。1连连长周炳和就是这样倒在血泊中壮烈牺牲（战后荣获师战斗模范）的；2连指导员刘洪友看到连队伤亡过大，兵员紧张，便立即教育动员解放战士。火线加入解放军行列，换上我军的帽子（战前每连配发了十几顶帽子，随时准备边打边补充），调转枪口打击敌人。有一名解放战士与刘洪友都负伤住进医疗队，解放战士仍穿着国民党军服，医护人员不知道他已加入解放军，因此，医疗待遇就有所区别。这位解放战士顿感委曲，就恳求刘洪友出面讲明真相，从而消除误解愉快养伤；6连2班长王建业在壕中负伤，鲜血染红了河水，仍坚持战斗。2营教导员姚江发现王建业负伤，即命令卫生员强行将其拖下来抢救，才保住生命。全班14人大部分壮烈牺牲。电话班班长林树艺奉命带领1个小组跟随主攻营营长张世礼，保障与团指挥所电话联络。在穿越敌炮火封锁区时，电话线被敌燃烧弹烧毁百余米，联络中断了。电话排长刘进世在这关键时刻亲率电话班迅速前出，重新选择了架线路径，绕开敌炮火封锁后，恢复了与团指挥所的电话联络。此间先后有6名电话兵负伤，战后电话排荣立集体二等功。