8月5日，蒋介石在南京总统府召集华东地区国民党第1、第2、第3、第4、第9绥区和徐州“剿总”高级将领，就济南的防备问题召开紧急会议。
蒋介石作了一个短暂的形势分析后，说道：“共军下一个目标一定是要攻打济南。济南是万万不能放弃的。我们在一个点上垮下来，许多点上都会顶不住。我们党内一些人很糊涂，听美国人的话，不顾济南，到徐州去，垒一道墙，阻拦共军，这真是岂有此理！为了守住济南，同时也要消灭陈毅部，我们制订了济南会战计划。”
接着，国民党总参谋长顾祝同就济南会战计划的具体细节作了介绍：“在济南遭到攻击时，2绥区的司令长官王耀武率济南守军10万余人坚守济南，以疲惫陈毅部的主力。这时，我部在徐州的第2、第7、第13兵团约17万人的重兵立即北上，在兖州、济宁突破陈毅部的防线，击溃华东共军，以挽回国军在山东被动的局面。”
“为了增强济南的防务，现山东省全境的国军与地方保安旅统归2绥区指挥，在青岛的整编第32师第57旅和徐州的整编第83师第19旅也立即空运济南；此外，统帅部还计划，如果济南情况危急，可将徐州的整编第74师（孟良崮战役后重组）空运至济南。这样济南的防务将大为加强。”顾祝同用指挥棒在地图上山东省的位置比画了一个圈，继续说道。
以此会战计划为指导，国民党第2绥靖区司令王耀武在济南地区精心布防，针对济南北靠黄河，东有茂岭山、砚池山，西面地形开阔的特点，确定了缩小防御圈，重点设防，控制强大预备队，适时进行反击的作战计划。
据此，王耀武迅速开始了备战行动。8月中旬，他致电蒋介石，请求将苏北的整编83师空运济南，增加防务。请求南京方面向济南大量空运弹药、粮食，可供11万济南守军支持两个月。他命令各部增强工事，凡是重要据点都要挖掘外壕和陷阱，架设鹿砦和铁丝网，并演练夜间战斗动作。在千佛山脚下加紧修筑飞机跑道，以防西郊机场失守后应急使用。将城北小清河水闸加宽加高，待共军攻击时开闸放水，将城北变成泛滥区，阻挡共军攻击。将城中居民百姓编为壮丁队、纠察队、担架队、输送队等，协助国民党军守城。王耀武到处视察阵地，督促部队备战，每天忙得不亦乐乎。（王耀武：《济南战役的回忆》，载《文史资料选辑》第18期）
蒋介石接到王耀武的电报，8月27日电令刘峙和王耀武：将83师空运济南，限两周内全部运到。指示“济南防务应尽量缩小防御圈，守备要点；控制强大的预备队，采取机动防御；注意夜间防御，勤加演练”。为了储备充足的粮食，蒋介石于8月10日派出4架飞机，满载即将作废的法币运往济南。命令王耀用这些钞票到济南郊区和解放区边缘农村抢购粮食。王耀武督促各部执行命令，派出部队和兵站人员持法币四处抢粮。济南周围百余里内村镇百姓的粮食几乎被抢购一空，而老百姓手里只拿到形同废纸的法币。国民党当局的倒行逆施激起百姓的极大愤怒，他们说：“蒋介石不打倒，我们百姓活不了！”
虽然增援有限，王耀武还是掌握着正规军3个师9个旅，非正规军5个旅，加上特种兵和保安团队共11万人，拥有300余门火炮、迫击炮，15辆日式轻型坦克。这些兵力守一个济南城，不能算少。
济南市区分为内城、外城和商埠三部分，构成基本防御地带。外围防区东起韩仓，西至长清，南至仲宫，北至齐河、泺口。王耀武将外围分为东、西两个守备区：73师师长曹振铎担任黄河铁桥至千佛山一线的东区防御，96军军长兼84师师长吴化文担任自泺口镇至马鞍山一线的西区防御，以19、57旅为预备队，以保安4旅守齐河，一个保安团守长清。具体配备是：以齐河、长清、仲宫、历城等县镇据点为警戒阵地，能守则守，不能守就退。以济南郊区制高点鹊山、白马山、茂岭山、燕翅山、四里山、千佛山、黄台山为重点防御地带，在日伪旧工事的基础上构筑碉堡，挖掘壕沟，布置铁丝网和鹿砦，形成160个支撑点，纵深近10公里的几道防御阵地。
在市区沿商埠和外城挖掘宽深各6米的壕沟，为第一阵地；外城墙为第二阵地；内城墙为最后一道防线。城墙上修筑了子母堡和众多火力点，形成交叉火力，易守难攻。
王耀武在9月中旬视察了泺口、机场、千佛山、燕翅山、茂岭山等多处工事，感到满意。他认为外围能坚守半个月，城区至少能坚守一个月。他对73师师长曹振铎说：“这样坚固的工事，共军想攻下一个据点，都是极不容易的事。我们如果再守不住，真是太无用了。”
曹振铎口气更大：“我在抗战时也没做过这样好的坚固工事，我们把工事做好了，就怕共军不敢来！”王耀武与蒋介石、刘峙达成默契，如果共军进攻济南，王耀武负责坚守，刘峙指挥邱清泉、黄伯韬、李弥3个兵团北上增援，以南北27万人的兵力夹击华东野战军，来一场决战。（南国防部报告：《济南会战》）
然而，就在王耀武高兴地等待援军到来时，刘峙却唯恐83师调走，徐州空虚，对他不利，以先运弹药、通信器材为借口，请求缓运83师。到9月12日，仅将83师的19旅运到济南。
9月10日以后，王耀武得到各地情报，说共军已向济南迫近，总兵力估计有20万。王耀武见援军迟迟不能运到，非常着急，9月15日亲自到南京向蒋介石告急。王耀武说：“共军大部已迫近济南，有即攻济南的可能。共军的战斗力确比过去增强得多了，以他们攻占潍县、兖州的情况来看，他们已经具有攻坚的力量和技术。如不增加一个师，济南是守不住的。请求将74师（孟良崮战役后重新组建）空运济南，固守济南才有把握。”
蒋介石答应王耀武的要求，调74师增援济南，同时指示王耀武：共军的战法是猛打猛冲，只要头几天稳得住，他们的攻势就会受到挫折。我军已经准备了强大的部队增援济南，如果共军一旦攻济，援军会迅速前进；待援军到达兖州时，济南方面要抽出两个师出击，以南北夹击打败共军。王耀武得了指示，稍觉定心，匆匆飞回济南。他回到济南的当天夜里，华野部队就在济南外围打响，拉开了济南战役的序幕。