12月1日，日本裕仁天皇批准“大陆命第8号”：“中支那方面军应与海军协同，进攻敌国首都南京。”国民政府调集第十军徐源泉，第八十三军邓龙光，及淞沪会战撤出之第六十六、七十一、七十二、七十四、七十八军，教导总队、警备、宪兵步队参与南京保卫战。粤军第八十三军、第六十六军担负龙潭、汤山第一线防御。
12月2日，江阴方面发生激烈陆海空激战，丹阳与江阴同在12月2日失守，3日日军进至句容，离南京120里，另数路亦赶到石头城下，开始围攻南京:82。日军第9师团、第16师团分别攻占金坛、丹阳，第114师团占领溧阳。日军第3师团于苏州集结，被定位为二线师团，跟随9师团的路线前进。
12月3日，上海派遣军第9、16师团主力沿丹阳向句容推进。
12月4日，国军第八十八师孙元良部，与陆军装甲兵团第三连（一号战车）在南京南方和日军正面接触。
12月6日，日军发动全面进攻，第三飞行团以龙华、王滨机场为基地，广德、常州为前进机场，猛烈轰炸国军主要阵地。日军第11师团第10旅（天谷支队）占领镇江，并继续沿扬州－仙女庙朝江北大运河前进。国军以第七十四、八十三军防卫主要阵地，第七十二、七十八军及教导总队部署于狮子山、雨花台、紫金山等最后防御阵地。第六十六军在汤山坚决抗击日军的进攻。
12月7日，蒋中正于凌晨离开南京，前往庐山。日军第114师团占领秣陵关，第6师团急行军至114师侧翼，联合对雨花台一线阵地进行攻击，遭国军顽强抵抗。

12月8日，日军占领汤水镇（今汤山镇）。12月8日晚，日军全线突破中国军队的外围防线。唐生智下令撤守外围阵地，退向城廓一线阵地；但没有拟订撤退计划，造成守军移动时遭到日军尾随，直逼南京城。

12月9日，日军攻占市郊后，派出军机向南京上空投放松井石根对守军之中译文“致南京卫戍司令唐生智劝降文告”，限国军在隔日中午前投降，否则将要发动总攻击。日军国崎支队占领太平，渡过长江朝浦口前进。日军第三飞行团密集轰炸中华门。

劝降文书内容如下：

日军横扫了江南。南京城已经被围攻了。在未来的交战中会有很多死伤，中国军队不会有任何优势。
江宁这片土地是旧都和中华民国的首都。有明王陵、中山墓等众多古迹，是中华文化的精髓所在。
日本军队对反抗者不宽容，但会包容无辜的人民和投降的中国军队，我们也会保护这片土地的文化财产。
但是，如果战斗继续下去，南京也难逃战火，千年文化也将化为灰烬。
我建议你们的军队和平打开南京城门。
10日中午在山路裕廊路的哨所会收到答复。
如果没有答复，日军将不可避免地开始攻占南京城。
——投降建议，日本帝国陆军总司令松井岩根

12月10日，上午11点要求投降遭拒后，日军在朝香宫鸠彦王指挥下向南京发起大规模进攻，国军士气低落、部队溃散。日军第18师团推进至芜湖。第16师团占领苍波门、下麒麟门，并朝附近之紫金山进击。

到了这个时候，南京的陷落已经成为定局，国军高层开始匆忙组织撤退。12月11日，蒋介石下急电命令唐生智以及南京守军立即撤退，唐生智制定了大部分军队正面突围少部分军队从下关渡江撤离的计划。但由于此时日军的攻势正盛，正面突围无异于送死。因此，虽然主要将领没有反对，但命令在军队中引起了轩然大波，从而使得撤退变得十分混乱。由于没有足够的渡江船只，士兵们在下关争抢渡江的机会，踩踏、坠江以及被日军打死打伤者数不胜数。一些士兵认为争抢渡江并不现实，因此选择脱下军服装扮成平民，这也成为之后所谓日军屠杀战俘的导火索和又一争议点之一。