带协助攻城，以一部攻占北关，并由北向南佯攻兖城；另一部集结于兖城东南地区，负责堵歼兖城可能向东南突围之敌；另派出一个团，进入泰安以东地区活动，监视由济南援敌之动态。
第九纵队主力集结于泗水一带待机，以一个师集结于柘沟地带，派出一个团于楼德西北柴汶河两岸，保护我后方补给线之安全，并监视泰安方向之敌。该部侦察营立即进入泰安以南、大汶口以北地区活动，以求掌握由济南南援敌之动态。
鲁南军区以主力插入临（城）韩（庄）地带，一面彻底破坏韩庄及临城以北铁路，一面积极打击临城南窜或北援之敌，并以小部向峄枣进逼。
渤海纵队主力集结于章（丘）邹（平）间休整，以有力一部活动于龙山东北地区，积极监视与打击龙山向东出扰之敌。
在兖州城南的一个村庄里，一个简朴的民房内，七纵司令员成钧、政委赵启民与十三纵司令员周志坚根据兵团的作战意图，正在进一步研究攻打兖州的方案。他们经过一段时间的讨论研究，最后决定把突破口选择在老西门一线。
7日夜，第七纵队攻克西关，鲁中军区部队攻克旧关。经紧张地准备，攻城部队于11日晚全部进入出击阵地。
12日傍晚，两发榴炮弹响起，总攻全面开始。山炮团在步兵和迫击炮的掩护下，直接用炮膛瞄准射击。老西门一线500米的正面上，七纵二十师和十三纵三十七、三十八师展开了并肩突击。
七纵二十一师六十团一连连长张坚，率先指挥架梯班架桥。这个班冒着敌人的火力扫射，全部下水，用身体顶住木桥。由于水涨流急，桥架不住。战士们硬是用肩膀顶起桥身，架起一座“人桩桥”，让突击部队从桥上通过。
爆破队连续七次成功地进行了高空爆破，最后一个爆破员张坚扑上城墙缺口时，炸药已把城墙削成了斜坡，用不着登城的梯子了。他高喊道：“登城啊！”话音没落，就扭身冲向缺口。连长丁光友马上带着突击队像一团旋风拥入缺口，班长高振才趁势把第一面胜利的红旗插上兖州城头。
在新西门十三纵的主攻点上，敌将泅水河闸打开，城壕水位急速上涨。七连长任进贵命令会游水的人赶快游过壕去。三个排相互配合，勇猛地向两侧扩大突破口。
天亮后，敌机疯狂地向突破口内外轰炸扫射。许世友命令各纵调整组织，相互协同，加快进攻速度。当日20时，战斗全部结束。
敌十二军军长霍守义带着老婆和十几个卫士脱离大队，企图潜逃，没料到一出城就成了俘虏。守城的九名将级军官中，唯有绥靖区司令官李玉堂只身化装逃了出去，其余八名均被生俘。
山东兵团重围兖州后，兖州守军向王耀武告急求救。王耀武派吴化文率重建的整编第九十六军南下增援兖州。吴化文为自保，11天仅前进40公里，直至13日，其第一六一旅始渡过汶河到达齐家庄、太平镇一带。因兖州已被解放，徐州“剿总”令吴化文率部转向泰安。预先埋伏在泗水的山东兵团第九纵队奉命冒雨远程奔袭，乘敌转头回逃的混乱之机，勇猛穿插，战至15日结束，歼其7500余人。
兖州战役的胜利，有力地支援了我豫东战场作战，同时也使我华东野战军东西兵团得以会师于津浦路两侧，以便于今后集中兵力打更大规模的歼灭战。
聂凤智司令员骑在马上，看着一堆堆像小山一样的战利品，乐不可支，兴奋之际赋诗一首：
策马桥头雨霏霏，笑问援敌几人回。
今日小战大汶口，明朝济南显神威。