日军趁势分三路急向南京进犯。中国方面就此开始准备在上海以西仅300余公里的首都南京的保卫作战，由于下达撤退命令过于仓促，后方国防工事交接发生失误，随着日军轰炸机的大范围轰炸，撤退演变为大溃败，虽然锡澄线上的江阴保卫战对阻击日军海军逆江而上进犯内地有重要意义，但南部无锡的快速陷落使锡澄国防线基本没有发挥作用，使北路日军主力一路顺利到达南京。中华民国首都南京处于日军的直接威胁之下。由于从上海的撤退组织的极其混乱，中国军队在上海至南京沿途未能组织起有效抵抗。
1937年11月20日，中国国民党政府发表《国民政府移驻重庆宣言》，政府机关、学校纷纷迁往内地，很多市民也逃离了南京。到了12月初的常住人口据估计还有50万人，这还不包括军人和从上海逃亡到南京的难民。
11月7日日军将上海派遣军与第10军临时编组为华中方面军将方面军的作战区域限制在苏州、嘉兴一线(即“制令线“)以东
11月 15日日军战地指挥官强烈要求进攻南京:第10军无视参谋本部的命令，
11月22日方面军司令官松井石根鼓动参谋本部放弃“不扩大“方针
11月下旬日军上海派遣军和第10军全面越过“制令线“，鉴于前线进展迅速的既成事实，
11月24日东京大本营废除了“制令线“，
12月1日东京大本营下达了攻占南京的正式命令。
12月1日日军攻占江阴要塞，同日，日军下达进攻南京的作战命令，南京保卫战开始。
12月2日江阴防线失守中国海军主力第一舰队和第二舰队在中日江阴海战中被全数击沉，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日日军全面占领了南京外围一线防御阵地，开始向外廓阵地进攻
12月10日日军发起总攻，
12月12日唐生智下达突围、撤退命令，中国军队的抵抗就此瓦解
进攻南京的作战开始后不久，疯狂前进的作战部队就把辎重部队远远抛在身后，由于日军原本没有深入内陆作战的后勤准备，部队立即面临着粮食供给中断的严重问题，日本军司令部于是下达了实际是要部队抢劫的“就地征收“命令。日军在抢劫中通常伴随着奸**女的暴行，为了掩盖自己抢劫和强奸的罪恶，日军除了杀死受害人，还经常放火烧毁整个村庄。
12月12日日军第6师团突入中华门但未能深入，其余城垣阵地还在中国军队手中。负责防守中华门的第88师师长孙元良擅自带部分部队向下关逃跑，虽被第36师师长宋希濂劝阻返回，但已经造成城内混乱。下午，唐生智仓促召集师以上将领布置撤退。按照撤退部署，除第36师掩护司令部和直属部队从下关渡江以外，其他部队都要从正面突围，但唐生智担心属于中央军嫡系在突围中损失太大，又口头命令第87师、第88师、第74军和教导总队“如不能全部突围，有轮渡时可过江“，这个前后矛盾的命令使中国军队的撤退更加混乱。会议结束后，只有属于粤系的第66军和第83军在军长叶肇和邓龙光带领下向正面突围，在付出巨大代价后成功突破日军包围，第159师代师长罗策群战死。其他部队长官大多数没有向下完整地传达撤退部署，就各自抛下部队前往江边乘事先控制的船只逃离。这些部队听说长官退往下关，以为江边已经做好了撤退准备，于是放弃阵地涌向下关一带。负责封锁挹江门的第36师没有接到允许部队撤退的命令，和从城内退往下关的部队发生冲突，很多人被打死或踩死。12日晚，唐生智与司令部成员乘坐事先保留的小火轮从下关煤炭港逃到江北，此后第74军一部约5000人以及第36师也从煤炭港乘船过江，第88师一部和第156师在下关乘自己控制的木船过江。逃到下关的中国守军已经失去建制，成为混乱的散兵，其中有些人自己扎筏过江，很多人淹死、或是被赶到的日军射杀在江中。大部分未能过江或者突围的中国士兵流散在南京街头，不少人放弃武器，换上便装躲入南京安全区。13日晨，日军攻入南京城，开始了长达四十多天的南京大屠杀。
日军早在攻入南京之前就开始对南京周边地区的狂轰滥炸。1937年11月，日本陆军航空本部通过了《航空部队使用法》，其中第103条规定:“战略攻击的实施，属于破坏要地内包括政治、经济、产业等中枢机关，并且重要的是直接空袭市民，给国民造成极大恐怖，挫败其意志。“这是人类战争史上第一次明文规定可以在战争中直接以平民和居民街道为目标实施空袭，突破了战争伦理的底线。
进城兵力约50000人，执行军纪维持的宪兵却仅有17人的日军除了个别地或小规模地对南京居民随时随地任意杀戮之外，还对中国人，特别是解除了武装的军警人员进行若干次大规模的“集体屠杀“。大规模屠杀方法有机枪射杀、集体活埋等，手段极其残忍。
1937年12月13日，《东京日日新闻》(即现在《每日新闻》)报道两名日本军官的“杀人竞赛“。日军第十六师团中岛部队两个少尉军官向井敏明和野田毅在其长官鼓励下，彼此相约“杀人竞赛“，商定在占领南京时，谁先杀满100人为胜者。他们从句容杀到汤山，向井敏明杀了89人，野田毅杀了78人，因皆未满100，“竞赛“继续进行。12月10日中午，两人在紫金山下相遇，彼此军刀已砍缺了口。野田谓杀了105人，向井谓杀了106人。又因确定不了是谁先达到杀100人之数，决定这次比赛不分胜负，重新比赛谁杀满150名中国人。这些暴行都一直在报纸上图文并茂连载，被称为“皇军的英雄“。
12月15日(日军占领第3天):已放下武器的中国军警人员3000余人被集体解赴汉中门外用机枪密集扫射，多人当场遇难。负伤未死者亦与死者尸体同样遭受焚化。夜，解往鱼雷营的中国平民及已解除武装的中国军人9000余人被日军屠杀。又在宝塔桥一带屠杀3万余人。在中山北路防空壕附近枪杀200人。