日軍趁勢分三路急向南京進犯。中國方面就此開始準備在上海以西僅300余公里的首都南京的保衛作戰，由于下達撤退命令過于倉促，后方國防工事交接發生失誤，隨著日軍轟炸機的大范圍轟炸，撤退演變為大潰敗，雖然錫澄線上的江陰保衛戰對阻擊日軍海軍逆江而上進犯內地有重要意義，但南部無錫的快速陷落使錫澄國防線基本沒有發揮作用，使北路日軍主力一路順利到達南京。中華民國首都南京處于日軍的直接威脅之下。由于從上海的撤退組織的極其混亂，中國軍隊在上海至南京沿途未能組織起有效抵抗。
1937年11月20日，中國國民黨政府發表國民政府移駐重慶宣言，政府機關、學校紛紛遷往內地，很多市民也逃離了南京。到了12月初的常住人口據估計還有50萬人，這還不包括軍人和從上海逃亡到南京的難民。
11月7日日軍將上海派遣軍與第10軍臨時編組為華中方面軍將方面軍的作戰區域限制在蘇州、嘉興一線(即“制令線“)以東
11月 15日日軍戰地指揮官強烈要求進攻南京:第10軍無視參謀本部的命令，
11月22日方面軍司令官松井石根鼓動參謀本部放棄“不擴大“方針
11月下旬日軍上海派遣軍和第10軍全面越過“制令線“，鑒于前線進展迅速的既成事實，
11月24日東京大本營廢除了“制令線“，
12月1日東京大本營下達了攻占南京的正式命令。
12月1日日軍攻占江陰要塞，同日，日軍下達進攻南京的作戰命令，南京保衛戰開始。
12月2日江陰防線失守中國海軍主力第一艦隊和第二艦隊在中日江陰海戰中被全數擊沉，作為南京國民政府唯一一道拱衛京畿的水上屏障失守。
12月8日日軍全面占領了南京外圍一線防御陣地，開始向外廓陣地進攻
12月10日日軍發起總攻，
12月12日唐生智下達突圍、撤退命令，中國軍隊的抵抗就此瓦解
進攻南京的作戰開始后不久，瘋狂前進的作戰部隊就把輜重部隊遠遠拋在身后，由于日軍原本沒有深入內陸作戰的后勤準備，部隊立即面臨著糧食供給中斷的嚴重問題，日本軍司令部于是下達了實際是要部隊搶劫的“就地征收“命令。日軍在搶劫中通常伴隨著奸**女的暴行，為了掩蓋自己搶劫和強奸的罪惡，日軍除了殺死受害人，還經常放火燒毀整個村莊。
12月12日日軍第6師團突入中華門但未能深入，其余城垣陣地還在中國軍隊手中。負責防守中華門的第88師師長孫元良擅自帶部分部隊向下關逃跑，雖被第36師師長宋希濂勸阻返回，但已經造成城內混亂。下午，唐生智倉促召集師以上將領布置撤退。按照撤退部署，除第36師掩護司令部和直屬部隊從下關渡江以外，其他部隊都要從正面突圍，但唐生智擔心屬于中央軍嫡系在突圍中損失太大，又口頭命令第87師、第88師、第74軍和教導總隊“如不能全部突圍，有輪渡時可過江“，這個前后矛盾的命令使中國軍隊的撤退更加混亂。會議結束后，只有屬于粵系的第66軍和第83軍在軍長葉肇和鄧龍光帶領下向正面突圍，在付出巨大代價后成功突破日軍包圍，第159師代師長羅策群戰死。其他部隊長官大多數沒有向下完整地傳達撤退部署，就各自拋下部隊前往江邊乘事先控制的船只逃離。這些部隊聽說長官退往下關，以為江邊已經做好了撤退準備，于是放棄陣地涌向下關一帶。負責封鎖挹江門的第36師沒有接到允許部隊撤退的命令，和從城內退往下關的部隊發生沖突，很多人被打死或踩死。12日晚，唐生智與司令部成員乘坐事先保留的小火輪從下關煤炭港逃到江北，此后第74軍一部約5000人以及第36師也從煤炭港乘船過江，第88師一部和第156師在下關乘自己控制的木船過江。逃到下關的中國守軍已經失去建制，成為混亂的散兵，其中有些人自己扎筏過江，很多人淹死、或是被趕到的日軍射殺在江中。大部分未能過江或者突圍的中國士兵流散在南京街頭，不少人放棄武器，換上便裝躲入南京安全區。13日晨，日軍攻入南京城，開始了長達四十多天的南京大屠殺。
日軍早在攻入南京之前就開始對南京周邊地區的狂轟濫炸。1937年11月，日本陸軍航空本部通過了航空部隊使用法，其中第103條規定:“戰略攻擊的實施，屬于破壞要地內包括政治、經濟、產業等中樞機關，并且重要的是直接空襲市民，給國民造成極大恐怖，挫敗其意志。“這是人類戰爭史上第一次明文規定可以在戰爭中直接以平民和居民街道為目標實施空襲，突破了戰爭倫理的底線。
進城兵力約50000人，執行軍紀維持的憲兵卻僅有17人的日軍除了個別地或小規模地對南京居民隨時隨地任意殺戮之外，還對中國人，特別是解除了武裝的軍警人員進行若干次大規模的“集體屠殺“。大規模屠殺方法有機槍射殺、集體活埋等，手段極其殘忍。
1937年12月13日，東京日日新聞(即現在每日新聞)報道兩名日本軍官的“殺人競賽“。日軍第十六師團中島部隊兩個少尉軍官向井敏明和野田毅在其長官鼓勵下，彼此相約“殺人競賽“，商定在占領南京時，誰先殺滿100人為勝者。他們從句容殺到湯山，向井敏明殺了89人，野田毅殺了78人，因皆未滿100，“競賽“繼續進行。12月10日中午，兩人在紫金山下相遇，彼此軍刀已砍缺了口。野田謂殺了105人，向井謂殺了106人。又因確定不了是誰先達到殺100人之數，決定這次比賽不分勝負，重新比賽誰殺滿150名中國人。這些暴行都一直在報紙上圖文并茂連載，被稱為“皇軍的英雄“。
12月15日(日軍占領第3天):已放下武器的中國軍警人員3000余人被集體解赴漢中門外用機槍密集掃射，多人當場遇難。負傷未死者亦與死者尸體同樣遭受焚化。夜，解往魚雷營的中國平民及已解除武裝的中國軍人9000余人被日軍屠殺。又在寶塔橋一帶屠殺3萬余人。在中山北路防空壕附近槍殺200人。
12月16日(日軍占領第4天):位于南京安全區內的華僑招待所中躲避的中國男女難民5000余人被日軍集體押往中山碼頭，雙手反綁，排列成行。日軍用機槍射殺后，棄尸于長江以毀尸滅跡。5000多人中僅白增榮、梁廷芳二人于中彈負傷后泅至對岸，得免于死。日軍在四條巷屠殺400余人，在陰陽營屠殺100多人。
12月17日(日軍占領第5天):中國平民3000余人被日軍押至煤炭港下游江邊集體射殺。在放生寺、慈幼院避難的400余中國難民被集體射殺。
12月18日(日軍占領的第6天)夜，下關草鞋峽。日軍將從南京城內逃出被拘囚于幕府山的中國難民男女老幼共57418人，除少數已被餓死或打死，全部用鉛絲捆扎，驅集到下關草鞋峽，用機槍密集掃射，并對倒臥血泊中尚能呻吟掙扎者以亂刀砍戮。事后將所有尸骸澆以煤油焚化，以毀尸滅跡。此次屠殺僅有伍長德一人被焚未死，得以逃生。大方巷難民區內日軍射殺4000余人。
武藤章是制造這場災難的罪魁禍首之一。關東軍侵略東北期間，為了達到分裂中國并侵占綏遠的目的，策劃了德王成立偽“蒙軍政府“事件，但因中國軍隊傅作義部發動綏遠抗戰，德王失敗。武藤章參與了綏遠事件的全部過程，并出面善后，指揮德王后撤以保存實力。武藤章調任關東軍參謀部第三課課長，負責制定作戰計劃、建立兵站、組織兵員等。，19萬人，零散屠殺858案，15萬人。日軍在南京進行了長達6個星期的大屠殺，中國軍民被槍殺和活埋者達30多萬人。
參與南大屠殺人日軍
部隊名稱指揮官
華中方面軍司令官:陸軍大將松井石根
上海派遣軍司令官:陸軍中將朝香宮鳩彥王
第3師團先遣隊連隊長:陸軍大佐鷹森孝
第9師團師團長:陸軍中將吉住良輔
第16師團師團長:陸軍中將中島今朝吾
山田支隊(第13師團的一部分)步兵第103旅團長:陸軍少將山田栴二
第10軍-司令官陸軍中將柳川平助
第6師團師團長:陸軍中將谷壽夫
第18師團師團長:陸軍中將牛島貞雄
第114師團師團長:陸軍中將末松茂治
國崎支隊(第5師團步兵第9旅團)支隊長:陸軍少將國崎登
中華民族在經歷這場血淚劫難的同時，中國文化珍品也遭到了大掠奪。日本侵略者占領南京以后，派出特工人員，花費一個月的時間，每天搬走圖書文獻十幾卡車，共搶去圖書文獻無數。
國民政府即公開進行了強烈譴責，并于1937年12月開始分別派人赴美國紐約、英國倫敦及日本東京，全方位開展了揭露日軍南京大屠殺真相的行動。
