这支由唐生智统帅、临时编成的南京卫戍部队，原本的作战任务只是进行短期固守的防御作战，并非要进行全军牺牲、死守不退的决战。但是，唐生智在自愿接任卫戍司令之后，却一再地对外与对内表示，他决心与南京共存亡，要求部属也要准备如此的牺牲。参加南京保卫战的中国军队，是临时编组的待整编部队，兵、将相互缺乏了解，装备与人员严重不足（补充的新兵太多，大部分都没有受过基本的军训。当时中国没有后备军人，新兵都是临时征集的平民），又没有坚固的阵地作依托，死守南京谈何容易？
唐生智的防卫计划也过于草率，只是简单地将兵力分成外围与城墙的守备作战，完全没有防守作战的阵地纵深编组，也没有预备队可以运用，更别提后勤支持与主动出击了。唐生智一再发表“悲壮”的共存亡的演说。他的表现不像是卫戍司令，反而像是要慷慨就义的烈士。他根本不去设法解决守军所面对的各种作战问题，只想和大家一起死战，造成守军抱着与阵地共存亡的烈士信念，执行呆板死守的作战任务，而没有主动迎敌的准备与应变措施。而最要命的是唐生智与卫戍司令部根本没有进行在必要时实施撤退的参谋作业；部队指挥官与所有参战的军人，也没有进行万一奉命撤退之时必要的安排与准备。
蒋介石在部署南京保卫战的同时，紧锣密鼓地在做从南京撤退的准备。其实，蒋介石在下令军队退出上海的同一天，就已经开始做从南京撤退的准备了。这一天，他在南京会见了四川省主席刘湘，商议将首都迁往重庆的事宜。接着在11月16日，南京国民政府正式宣布将重庆定为陪都，作为中国继续抗战的政治中心。所有在南京的中央政府机关，从20日开始进行全面的撤退工作，军委会则先迁到武汉办公。
12月1日，松井石根接到日本参谋本部以大陆命第8号下达的“大命”：华中方面军司令官应与海军协同攻取敌国首都南京。松井石根接到命令后，亲自与参谋们一起拟定出《向南京追击的作战指导纲要》，上报日本参谋本部，很快得到批准。他正要命令参谋长冢本召集主要指挥官会议，忽闻日本天皇侍从武官长本庄繁（曾任关东军司令官）前来视察，松井石根急忙出来迎接。
松井石根为人狂傲，不把一般日本将佐看在眼里，但知道本庄繁与荒木贞夫、真崎甚三郎、阿部信行、桥本欣五郎并称日本皇军五员大将，与土肥原贤二、板垣征四郎结拜为异姓兄弟，特别是身为天皇侍从武官长，是裕仁天皇的亲信大臣，哪敢怠慢，自然格外敬重，执礼甚殷。
本庄繁向他传达了一举攻克南京的指示，特别说明裕仁天皇对他的殷切期望，强调裕仁天皇至今未忘当年夏天接见松井石根时给他的御旨。又命随从打开一个绘有日本皇室菊花标志的精致匣子，深鞠一躬后将其放在裕仁天皇御影下面的小案上，小心翼翼地打开，取出良子皇后亲手制作的围巾交给松井石根。这在日本可以说是非同寻常的礼遇，日本军部以此激发在国外的重要将帅的军国主义狂热。松井石根双手接过，交给副官小心收藏，然后汇报了他誓死攻克南京的部署，本庄繁这才高兴地告别回东京复命。
松井石根送走本庄繁后，便率领柳川平助的第10军和上海派遣军，气势汹汹地杀向南京。当时日本的华中方面军，除了派101师团在上海警戒，抽调第11师团与台湾旅团到台湾集结准备攻打广州外，其余的部队全都参与对南京的作战。松井石根计划在正面采取三路进攻，另外在南北进行大迂回包抄作战，由上海派遣军的第9师团、第16师团担任对南京东北与正东的攻击，第3、第11师团担任助攻的预备队；而第10军的114师团与第6师团，担任对南京的南面攻击。这两支日军从太湖的南北两岸同步对南京发动攻击，空军与海军加入助攻，日军的18师团与国崎支队更先期进行迂回攻击。日军部队沿着长江北岸包抄浦口，并直扑安徽的芜湖，先对南京外围形成包围的态势。
面对日军进犯南京，蒋介石在对唐生智做了一番安抚之后，便于12月5日匆匆离去。
松井石根得知蒋介石已离开南京后，于12月7日下达了《攻占南京要略》，南京战役正式开始。松井石根命荻洲立兵中将率领第13师团和天谷支队从北路包抄南京。天谷支队攻占镇江，渡过长江，攻陷扬州，切断了江北大运河航路。第13师团从镇江渡过长江，攻占六合，占领滁县，进逼南京。
松井石根命牛岛贞雄中将指挥第18师团和国崎支队从南路包围南京。国崎支队从广德出发，经郎溪、石臼湖渡过长江，攻占浦口，切断了津浦线。第18师团从泗安出发，攻克宁国、芜湖，直逼南京。
松井石根亲自指挥第6、第9、第16、第114等4个师团从正面进攻南京。
守卫江阴要塞的中国部队奋勇还击，面对数路围攻的日军打得英勇顽强，尤其是海军浴血奋战，牺牲惨烈。
12月6日，日军正面进攻的部队已达宣城、秣陵关、淳化镇、龙潭一线南京外围阵地。从12月7日拂晓开始，松井石根下令向中国主阵地发起总攻，南京处于日军三面包围之中。
12月9日，日军进一步由南京外围防线攻到南京城边。松井石根深知南京守军已无战力，便决定给予南京守军一个投降的机会。他要求唐生智在10日与日军接洽，商定弃城投降事宜。表面上是不希望南京受到炮火的摧毁，其实是想公开展示中国军队在南京不战而降的耻辱，以动摇中国继续抗战的意志。
唐生智当然拒绝日军的招降。他下令守军集中控制所有的渡江船只，准备进行全军殉城的背水一战。于是，松井石根下令以最猛烈的炮火进行全面攻击，务必在最短时间之内攻下南京。
雨花台至中华门一线是通向南京的主要道路，松井石根特派第6师团担负攻击任务。师团长谷寿夫1882年生于日本福冈县，曾任日本驻印度武官、旅团长，1934年升为中将，任东京湾要塞区司令官，1936年3月率第6师团入侵华北并侵占保定和石家庄，11月在金山卫登陆参加淞沪会战，又由昆山经松江、嘉兴、湖州、广德向南京进犯，与第114师团共同进攻雨花台。
第6师团和第114师团受到中国军队88师两个旅的顽强抵抗。88师曾参加1932年的“一·二八”上海之战，富有同日军作战的经验。这次参加保卫雨花台的朱赤、高致嵩旅长与所部官兵发誓：如雨花台失守绝不生还。两旅官兵依托坚固的工事从容迎敌，谷寿夫几次进攻受挫，中国阵地前留下成堆的日军尸首。
谷寿夫见中国部队打得如此英勇，知道只靠步兵断难取胜，就向松井石根要求飞机和炮火支援。松井石根深知谷寿夫打仗凶狠勇猛，一般不说软话，现在可能真正遇到了劲敌，当即拨归谷寿夫一部炮兵，并下令出动100架飞机为谷寿夫助战。
谷寿夫得到支援，又对雨花台发起进攻。中国军队士气高涨，未被炸死者仍英勇反击。谷寿夫的部属被88师打得抱头鼠窜，乱成一团。
谷寿夫见久攻不下，遂下令步兵停止进攻，只出动飞机、大炮不停地狂轰滥炸。日军地毯式轰炸终于起了作用，88师两个旅官兵全部殉国，雨花台阵地遂告失守。
雨花台为中华门的屏障，中华门则为南京的唯一陆路要道。日军攻下雨花台后，即马不停蹄猛攻中华门。
担任防守中华门任务的是87师259旅旅长易安华部，他见日军炮火猛烈，如死守中华门只能束手就擒，就主张主动发起反击。经请示南京卫戍副司令罗卓英，他获准率领一个团进攻莫愁湖的日军阵地。
日军攻下雨花台后，认为守军主力已被歼灭，不会再有大的抵抗，突然受到易安华所部官兵的反击，顿时慌了手脚，转瞬间丢失莫愁湖附近阵地。谷寿夫当即派出飞机和情报人员进行侦察，发现中国部队兵力单薄，就在飞机、大炮掩护下，派十倍于中国部队的日军发动进攻。双方在莫愁湖畔浴血苦战，最后，易安华和所率全团官兵全部殉国。
松井石根又指挥日军猛攻紫金山，中国教导总队官兵奋起反攻，迫使日军一度停止攻击。松井石根闻报亲自赶到现场，调动绝对优势兵力再度发起进攻，中国军队抵挡不住被迫撤退，紫金山失陷。
此时，谷寿夫见中国部队还在抵抗，就命令日本炮兵以猛烈炮火轰击南京城内新街口、中山东路等人烟稠密之处，又用重炮将中华门城墙轰塌多处，命士兵以缆梯攀墙而入。中国军队抵挡不住，南京陷落在即。
蒋介石得知南京的防卫作战已经非常危急之后，在12月11日先通过第3战区司令长官顾祝同，以电话命令唐生智从南京撤退。蒋介石还不放心，又亲自连下两道手令，要求唐生智相机率军撤出南京，以免全军覆灭。
但是，唐生智在接到事关部队生死存亡的撤退命令之后，却没有及时地进行撤军参谋作业，一直到12日下午5时，才匆促召开卫戍军事会议，这时已延误了24小时。这个重大的错误，是造成南京的撤退行动出现严重混乱的主要原因之一。在这场临时的卫戍军事首长会议中，有些部队的指挥官未能出席会议。唐生智突然宣布奉命撤退，令大部分的将领感到事出突然，根本难以掌握局面与行动的变化。唐生智还要求所有与会将领共同副署撤退命令，以分担责任。撤退令原本规划只有司令部直属部队与36师直接渡江撤退，其他负责城防的部队则各自掌握突围的方式后撤；至于撤退之前如何破坏重要军政设施，更是缺乏完整的计划。但是在会议最后下达结论时，唐生智突然又做出表示，假如部队陆路撤退有困难，也可以设法渡江撤退，但他完全没有计算过渡江船只的运输能力。其实，撤退的参谋作业要比进攻更为精细，才能顺利完成撤退。
由于唐生智如此拖延与草率地下令撤军，造成了南京守军陷入撤退的混乱之中。司令部的守军仓促、草率地破坏南京城内主要的建筑物，但由于缺乏完整的计划，像全国最大的金陵兵工厂、中央政府的各个部（会）建筑，就完整地留给了日军。
12日入夜之后，南京城内火光冲天，浓烟密布。这时候已经流言四起，出现了撤退前人心涣散的乱象。此时唐生智的意志已经动摇，他并没有监督设备的破坏与管制部队的撤退，就慌忙逃往下关渡江。守卫南京的部队在与主帅失去联系的状况下，只有各自为政，有些部队还不知道已经下令撤退，从而造成部队退却的全面失控。除了66军仍在保持掌控下突围以外，大部分守军与逃难的平民开始大量盲目地涌向下关。但先前大部分的渡江船只已被集中管理，并指示对岸的中国守军对于渡江的船只“格杀勿论”，唐生智撤退时并没有下令解禁。这时，更多撤退的部队涌到江边，渡江的船只严重不足，守城部队、政府官员、逃难百姓在一片混乱中争相夺路，前仆后踩，死者不计其数。松井石根指挥各路日军以猛烈炮火轰击，出动飞机轰炸，中国军民死伤无数，只有少数部队突围成功，十多万大军多为日军凶残屠杀。
12月13日，日寇占领南京。12月17日，华中方面军举行侵占南京的入城仪式，耀武扬威地进入南京城。