9月中旬，陈际帆开始部署山东兵力。按照参谋部的作战计划，参与济南战役的部队有：第一集团军炮兵师，共装备24门150mm榴弹炮,60门105mm榴弹炮。第七军，总兵力4万余人，全军增加了从第4师团缴获的12门105榴弹炮、36门野炮和一些步兵炮，实力已经跃升为国内最强的部队之一。集团军暂编独立师，一万五千余人，轻装。
上述三支部队由于参加过大练兵，战斗力较强，为攻打济南的主力部队。担任牵制、佯攻的部队为荣子桓独立旅、张步云和厉文礼的混编旅。
吴化文第八军四万余人调出进驻德县至沧州一线。第一军第二师沿津浦路向北，占领沧州。第一军第三师主力西进，占领馆陶、广平，与汤恩伯在邯郸的守军互为犄角。
第二军休整完毕后，以三个师为独立作战单位对日军在冀中平原上所有的碉堡、岗楼、据点展开奔袭。以达到将日军孤立于少数大城市的目的。
“神鹰”在华北的山东、河北两省，不仅兵力占有绝对优势的，而且在火力、机动、后勤等方面也有无可比拟的优势，只待收拾完苟延残喘的济南日军，向冀中大举进攻的日子就不会太远了。
攻打济南，不仅在于这是大反攻后第一个即将光复的省会城市，而且陈际帆使用的攻城步兵全部是所谓的地方杂牌。全国上下都在紧张的期待中关注着，但真正令所有人大跌眼镜的，是“神鹰”尚处在幼稚中航空兵部队。
胡玉峰在作战计划中坚持要航空兵参战，理由很简单，整个中国战区日军航空兵已经受损严重，而且济南战役自己这边具有绝对优势，正是航空兵锻炼的大好机会。
胡云峰有更充分的理由，他指挥的航空兵虽然还不具备和日军飞机面对面格斗的水平，但经过几个月来的刻苦训练，飞行员们的水平得到迅猛提升，在南方已经多次执行过江南地区的侦察任务，而且成功逼退过武汉过来的日军飞机。更重要是，胡云峰希望用攻击济南这样一个辉煌战绩作为年轻的航空兵的起点，让他们一开始就拥有骄傲的战史。
陈际帆没有理由不同意。拥有自己的航空兵对未来江南和东北的作战有着巨大的意义，而且对地面上这些士气不高缺乏训练的杂牌部队来说，他们加入“神鹰”的第一仗居然就是高技术条件下的空地协同作战，这对部队以后的训练将带来不可估量的意义。
9月13日凌晨，从安徽中部军用机场起飞12架侦察机，12架驱逐机（p38）和6架中型轰炸机(b17)和两架满载燃油航弹的中型运输机在美军雷达的导航下趁夜秘密转场徐州。
在和美军航空兵协调的时候，美国人本来不大瞧得起中国人独立进行空中作战，但胡云峰坚持独立作战，谢绝了美国人的好意，并善意提醒他们，还是好好地策划如何打击日本本土和东海日军航线为好。
胡云峰亲自坐镇淮南指挥部，在参谋总部新建的空战指挥中心亲自协调美军雷达和自己的航空兵之间的行动。济南战役与其说是陈际帆亲自指挥，还不如说是强大的“神鹰”参谋部的功劳，因为在陈际帆周旋于山东各方势力之间的时候，参谋总部已经制定了详细的作战方案。
9月14日，航空兵侦察机完成侦察任务，确定日军城外所有的工事布防。
9月15日，济南外围攻坚开始。攻坚目标主要是城南以马鞍山和千佛山制高点为中心的防御带。从徐州机场飞来的六架轰炸机在驱逐机的护卫下飞抵日军工事上空，对日军防御阵地进行不间断的轰炸。
日军的地雷阵、地堡群、铁丝网和士兵交通壕瞬间成了一片火海，剧烈的爆炸声中各种明碉暗堡纷纷粉碎上天。来自天上的攻击让日军的士气受到毁灭性打击，本来他们的兵力就不多，现在对手居然还能凑出飞机对他们的阵地进行狂轰滥炸，这让鬼子赶到一阵绝望。
绝望还没有完，因为轰炸机不断盘旋、俯冲之后驱逐机也加入对地攻击的战团，飞机员们干脆把用来打飞机的航炮全部用于地面攻击，随着驱逐机在离地面不远处飞过，暴露在阵地表面的日军被打成一团团碎肉。
“攻击顺利！请求返航！”飞行中队向胡云峰发出请求。
“立即返航！”
胡云峰不敢让这些飞机太疯狂，因为附近日军同样也有飞机。
空中攻击刚刚结束，地面炮兵也不甘寂寞，一百多门榴弹炮集中火力在千佛山南不到五公里处预设炮兵阵地，将一枚枚大口径高爆弹和燃烧弹全部送到日军外围阵地上。
两个主峰高地和中间无数个胡成体系又独立支撑的工事瞬间变成废墟，暴露在表面阵地上的守军无一幸免。强大的气浪冲击下，很多鬼子即使没有被炸死，也在瞬间丧失了战斗力---被炸傻了！
没有枪声，空气中传来的就是如闷雷般的巨响，从望远镜里看去，高地上绽开这一朵朵绚丽的死亡之花，每一枚炮弹砸下去，都会让平静的地面开始灿烂的景致。每一枚炮弹落下，都会让原本看似坚固的工事变成一团尘土。
整整半个小时的炮火，几乎将城南的工事犁了一遍，留下了无数个带着硝烟和火光的弹坑。千佛山上日军表面工事全部被摧毁，下午三点左右，已经提前进入阵地的第七军21师开始向千佛山阵地发起猛攻。
千佛山是济南南边的制高点，也是南门的屏障，失去千佛山，南门将直接暴露在攻击方炮火打击之下，所以日军在这里安排了27师团第1联队驻守，兵力约3000人（前一段有战损）。配备了轻型战车、12门九二式步兵炮和无数重机枪。
日军在济南经营多年，千佛山上的工事自然也可称得上固若金汤。除了表面工事外，日军还在反斜面修筑坑道，利用山体修筑大量隐蔽在山上的地堡群。每一个地堡群平均有两挺机枪，地堡群之间形成交叉火力，几乎没有留下射击死角。
21师是第七军的绝对主力，不过，这种攻坚还是第一次。21师上下做了广泛的战前动员，每一个排都增加了爆破组和炮兵观察员。这种攻坚与其说是靠冲锋，还不如说是靠优良的土工作业和爆破。
果不其然，21师突前的主力团刚刚进入日军射程范围，就遭到地堡火力的凶猛压制。部队利用掷弹筒等予以还击后，掩护爆破组上前实施爆破。
越往上，日军兵力也越多，21师投入的一个营冲上阵地后，忽然招致敌人明暗火力点的多重射击，几十挺机枪发疯似的扫过后，这个营受到重创，正副营长横尸山头。最后只有不到一个连的兵力撤了下来。
第一波攻击宣告失败，情况立刻引起了第七军军长于学忠的高度重视，于学忠当即请求炮兵支援，在炮兵的掩护下继续展开冲击。但是很遗憾，两个营的兵力冲上去后不但找不到目标，反而被日军火力大量杀伤。
陈际帆大怒！不是对第七军的攻击不满意，因为他知道第七军在空地火力协同两次攻击损兵折将肯定是有原因的。果不其然，日军在千佛山根本不像以前那样依托表面阵地和对手周旋,而是将兵力全部隐蔽于地下，用钢筋水泥构筑多个大小地堡、地堡之间还有交通壕相连。
爆破部队要付出巨大伤亡才能完成一次爆破。
鬼子什么时候变得这么聪明了？陈际帆这才想起来，太平洋战争爆发到现在，日军一定是将太平洋上对付美军那一套搬到济南来了，妈的！
陈际帆马上要通于学忠，改变战术，不要一味冲击主峰阵地，命令各团组织精干兵力对面前最近的日军火力点逐个侦察，并且大胆使用爆破层层清除。陈际帆说，我不给你设定时间界限，但是我要看到进展。
于学忠本来以为区区千佛山阵地日军只有3000人，己方又有火炮飞机助战，一个师一万多人拿下阵地应该没有问题，谁知道竟然受挫。
于学忠急忙向攻击西边马鞍山高地的23师下令调整战术，以22师为预备队，分头策应两个师的攻坚。（. 好看的）
战术改变后，进展变得非常缓慢，但是卓有成效。千佛山毕竟不太大，而且也不算陡。炮兵奉命向山顶开炮以牵制日军，山下21师分成多个小组开始进行爆破。这下日军傻眼了，因为山上只能眼睁睁地看着下面的中国军队将自己的地堡群逐一送上天。
日军在炮火间歇之时也曾组织小部队在步兵炮的掩护下向山下进行反突击，不过，在中国军队强大的火力面前基本上等于送死。拼命冲锋的日军部队立刻招致炮火覆盖，还没有冲到山下就被消灭得差不多。
于学忠部用几百士兵的生命学会了一种全新的阵地攻坚方式，而总指挥陈际帆也也打起十二分精神开始指挥战斗更弱的新编部队向济南其他方向展开外围攻坚。
独立师自从加入“神鹰”后，还从来没有经历过什么像样的战役，师长萧健九和参谋长魏凤韶两人联名上书请战。陈际帆也想看看这个轻装步兵师经过大练兵，是不是真正有战斗力，于是爽快地命令他们指挥全师主攻济南东门。
其余几支部队是免不了的，虽然他们对攻坚还有畏惧。幸好总司令没有让他们当炮灰，但是严令，必须配合友邻部队包围济南，并且不分白天黑夜盯紧城内日军，放跑一个军法从事！
外围战斗一直持续到9月16日上午才宣告结束，南门外所有制高点全部拿下，守卫的第1联队3000余人在“神鹰”地空火力和逐次爆破之下全军覆没。“神鹰”指挥的十万部队顺利抵达济南城下。
陈际帆把攻击重点放在城南和城东后，命令炮兵师东移，作为独立师的支援火力协助独立师打扫东门外的日军防御阵地。
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