日本华中方面军乘中国军队溃退之机，海陆空分三路向南京进逼。
其中，一路以第11、第13、第16师团，沿京沪铁路两侧，进攻无锡、常州、丹阳、镇江、句容；一路以第3师团先遣队、第9师团，进攻苏州、无锡、金坛，向南京挺进；一路以第10军所部，占领嘉兴、吴兴，经宜兴、溧阳、溧水，直扑南京，并以第18师团占广德、宁国（宣城），攻芜湖，以国崎支队进攻江北浦口，切断南京方面中国守军的退路。
在南京统帅部最后一次会议上，蒋委员长表示应防守南京。当问到由谁负责时，唐生智自告奋勇，并向委员长保证做到“临危不乱，临难不苟”，没有蒋的命令决不撤退。
1937年11月20日，南京国民政府迁往重庆，军事委员会迁往武汉。 11月22日，在南京的二十多位西方侨民成立了国际安全区，他们提出在南京城的西北部设立一个给平民躲避炮火的安全区。
11月24日，武汉国民政府军事委员会任命唐生智为南京卫戍司令。唐生智到任后，尽量要求增加兵力。蒋把可以调得动的兵力即调来防守南京。其中多是从淞沪撤下来的部队，共有10多万人， 包括叶肇第66军、王敬久第71军、孙元良第72军、俞济时第74军、宋希濂第78军、邓龙光第83军、徐源泉第2军团，以及教导总队、宪兵团等。
此外，顾祝同第三战区部队也在皖南地区予以策应配合。唐生智为表示“与南京共存亡”的决心，将下关至浦口间的渡轮和各种船只全部撤离，禁止任何部队由下关渡江北撤。
12月2日，中国国民党海军主力第一舰队和第二舰队在江阴水战中被全数击沉，作为南京国民政府唯一一道拱卫京畿的水上屏障失守。
12月8日。蒋介石夫妇和军事顾问乘坐飞机离开南京去重庆，首都党政机关人员已经撤退到长沙武汉重庆三地，留下9万军人驻守，70万本地居民也愿意留下坚守金陵城。
很明显，南京城9万守军难以抵抗海陆空武器精良的23万日本华中方面军，蒋实质上已经放弃首都南京。
12月13日，日军渡过秦淮河，从中华门攻入南京城，南京沦陷。
南京沦陷后，侵华日军在城区进行长达六周的有组织预谋的大屠杀，兽性爆发，烧杀淫劫，无恶不作，骇人听闻，手段前所未有残忍，军官进行百人斩杀人比赛，大量战俘和平民惨遭杀害，遇难总人数超过30万。
南京日军从下关派出运煤车，到南京的大街小巷和附近村庄抓回许多妇女，然后将每个妇女分配给10名日本士兵，任凭士兵奸淫凌辱，稍有不服者，当场捅死，日本官兵在南京城内肆意蹂躏女性，一些被摧残后的女性被残忍破坏人体器官，弃尸街头。
南京日军系统性屠杀更加惨绝人寰，在草鞋峡，5.7万国军战俘与平民被集中于几处万人坑前，然后，被日军机枪扫射，再推入万人坑用汽油焚烧。在鱼雷营，9000余中国军民惨遭日军士兵刺刀挑杀。在中山码头，上万未乘船逃出的难民被日军赶到长江边，进行无差别射杀，尸体堵塞长江航道。
国军军官廖耀湘抓住一块木板，死里逃生渡过长江，才捡回一条命。
