4月1日，解放軍部隊達成了濰縣的包圍。次日，渤海縱隊和魯中軍區部隊由三個方向往昌樂進發，阻斷昌樂通往間濰縣的通道。與此同時，9縱隊由長山一帶向東行進，13縱由膠東地區出發。5日，解放軍的參戰部隊都到達了預定的地點。

8日解放軍從南郊、城南和城北三個方向發起攻擊，膠東軍區部隊首先向城南的火車站及機場發起攻擊，次日下午4時攻占機場，國軍空中補給線被切斷轉而依靠空投進行補給。占領機場後，又在12日攻占了濰縣的兩個火車站和發電廠，達成了攻占南郊的計劃。

在城北方向解放軍從4月8日晚開始發動攻擊，先通過炮兵部隊對國軍重點防守的「北宮」和「北關」兩處防禦陣地進行攻擊，隨後部隊通過夜間土工作業悄悄將戰壕和地道挖至國軍設防陣地的百米左右位置，這種臨時的地下通道和戰壕削弱了國軍空軍和火炮的優勢。

10日解放軍9縱26師對北宮發起攻擊，國軍依靠之前修築的密集工事防守，在當夜擊退了解放軍的初次進攻。次日26師繞開正面從側後方繞襲北宮陣地並成功攻占地。攻占北宮後，解放軍即向東北關進攻，至14日攻占東北關，並繼續向北關主陣地發起攻擊，於次日攻占北關，完成了預定計劃。

期間，蔣中正為激勵國軍士兵親發電報給濰縣指揮官陳金城表示將派兩路援軍予以救援，陳金城亦表示了與城池共存亡的決心。在城南方向，直到4月18日，渤海、魯中部隊經10日戰鬥後占領南關。

在完成外圍進攻後，解放軍一面調整部署及繼續進行土工作業，另一方面就進行3日休戰，同時為麻痹國軍撤回部分前沿部隊以造成假象。

國軍誤以為解放軍連日激戰傷亡很大而放棄進攻，王耀武於是在濟南舉行了慶祝會慶祝濰縣防禦勝利，國民政府之機關報紙《中央日報》還發表了主題為「共軍潰退，濰縣解圍」的報導。王耀武甚至命令濰縣守城部隊發動反擊奪回之前失地，但國軍的反擊很快遭到了失敗。

4月22日解放軍山東兵團司令部下達總攻濰縣西城的指令，23日18時，山東兵團九縱和渤海縱隊向西城發起總攻，解放軍先對國軍的地堡群和城牆進行連續的炮擊和爆破攻擊使國軍城牆外的地堡群遭到嚴重打擊，濰縣西城城牆也被炸開缺口，九縱27師登城並占領了三個突破口。在西北關，國軍奮力抵抗，使進攻的山東兵團九縱第25師未能突破城牆且傷亡較大。

24日天亮之後，九縱集中兵力、火力，再次向北城垣發起進攻。79團率先打開守軍兩個突破口。國軍守軍見城牆被突破，立即調兵遣將，奮力反擊，以猛烈炮火封鎖突破口。於是，雙方展開了爭奪突破口的激戰。

由於國軍地堡群火力強大，山東兵團後續部隊進攻受阻，城上部隊傷亡很大。許世友電令九縱司令員聶鳳智，要九縱命令27師立即組織嚴密火力，掩護後續部隊迅速投入戰鬥，固守和擴大79團占領的突破口。

解放軍方面為儘快攻占西城，決定派25師日間強行攻城。25師主力73團在炮兵支援下，3分鐘即炸開一個突破口，很快便登上了城牆。此後，27師其餘各部在城牆上下協同支援作戰。24日13時，九縱25師強行登城成功，接著，27師後續部隊登城，並與已攻入城內的部隊獲得聯絡。登城後，解放軍與國軍展開巷戰，國軍守軍也拚命抵抗，但防線已經被突破。陳金城見西城已無力再守，於是率餘部向東城撤退。當夜23時，解放軍山東兵團九縱攻占西城。

26日下午18時，解放軍炮兵對東城進行了一個半小時的炮火攻擊，將東城西面城牆和白浪河一帶的目標破壞。當夜20時20分，解放軍9縱87師的一個團對城牆進行連續爆破，到21時炸開缺口並攻入城內。

22時左右，九縱其他部隊和魯中部隊也突入東城，並向縱深展開。午夜，擔任第二梯隊的九縱二十五師七十四團、二十七師八十一團也向東城發起攻擊，至次日早晨7時，解放軍已經占領東城約三分之一的區域。國軍城內指揮官陳金城、張天佐判斷濰縣已經無力防守，遂決定向昌樂、倉上方向突圍，並請求王耀武派遣空軍支援，27日拂曉，陳、張二人喬裝成士兵並在飛機和煙霧彈的掩護下，率部經由東門往東南方向突圍，但遭到預先埋伏在城門外的解放軍西海軍分區部隊的伏擊，陳金城被俘虜，張天佐被擊斃。在城內，戰至27日中午，東城內國軍最後一個戰略支點三官閣被解放軍攻破，東城全境被解放軍占領，至此，濰縣攻城戰鬥結束。

攻占濰縣城後，解放軍又占領了濰縣附近的安丘、昌樂和田馬等地區，這些地方的國軍部隊因濰縣被攻克而無心防守，大多潰散或者「起義」。

自從濰縣開戰之後，國軍從青島和濟南出動了兩路援軍救援濰縣：青島方面援軍15個團由國軍第11綏靖區司令官丁治磐率領；濟南方面援軍18個團由國軍戰役總指揮王耀武率領，分別從東西兩個方面向濰縣開進，然而均在解放軍預先布置的阻援部隊的阻擊下未能成功到達濰縣。5月1日和5月8日，原本從東西兩個方向往濰縣增援的國軍部隊的先後撤退，至此，濰縣戰役全部結束。

歷史影響：

此次戰役，解放軍共計傷亡約8千人，其中陣亡1432人，受傷6548人，攻占了濰縣、昌樂、安丘3座城鎮以及附近4000平方公里地區，並奪得了大炮181門、槍枝1萬7千多支、炮彈3萬8千多發、榴彈約11萬5千發、子彈26萬多發以及飛機，火車頭，汽車等大量物資。國軍損失約4.5萬人，其中1.9萬餘人傷亡，2.6萬餘人被生俘。另有國軍第96軍軍長兼整編45師師長陳金城等6名將級軍官和127名校級軍官被俘，山東省第八區保安司令兼總隊長張天佐及副司令張髯農等軍官陣亡。

濰縣戰役是第二次國共內戰開戰之後華東野戰軍首個城市攻堅戰，戰役結束後山東兵團進行了短暫的休整，之後將進攻目標轉移至津浦鐵路攻擊兗州。山東兵團亦從此次戰役中獲得了攻堅戰的經驗，在之後進行的濟南戰役和淮海戰役中，攻堅戰的部分均由山東兵團完成。

對於國軍而言，由於濰縣這個「魯中堡壘」失守後解放軍在山東的三塊解放區連成一片從而使得國軍在山東的戰略支點濟南和青島更為孤立。解放軍進入濰縣後，華東野戰軍成立了濰坊特別市政府以管理新占領的城市，之後濰坊市政府修建了「濰縣戰役勝利紀念廣場」。

2013年4月，濰坊市有市民會同當年參戰的老兵一起自發組織活動紀念了65年前這場改變濰坊歷史進程的戰事。