日华中方面军突破吴淞线后，于11月22日向大本营建议：“为了解决（中国）事变，攻占中国首都南京具有最大的价值”，“应乘敌人的劣势攻占南京。”24日，日陆军参谋部作战部长下村定在御前会议上介绍陆军作战计划时，提出华中方面军的任务是：利用上海及其周围作战的成果；不失时机地果断地向南京追击。据此，华中方面军从11月下旬开始，分南、北两路向南京方向进犯。至11月底，南北两路日军逼近南京。
南京是当时中国的首都，是政治、经济、军事、文化中心。但是就其特殊的地理位置而言，素为不战之地。因此，保卫南京不能以城区为重点，只能以其外围作为屏障。自日军占领上海、中国几十万大军在日军追击下向西撤退后，国民政府已无信心保卫南京，但是蒋介石担心在全国强烈要求固守南京和布鲁塞尔会议正在举行之际，如果轻易放弃南京，势必遭到国内的反对，在国际上也会产生不良影响。在犹豫之中，蒋介石于11月下旬连续三次召开高级将领会议，讨论南京防守问题。最后他否定了作战厅长刘斐等人关于作“象征性防守”和“适当抵抗”的建议，决定固守南京，并任命唐生智为南京卫戍军司令长官。随即调集8个军计13个师，加上其他部队，共约15万人，并进行了防御部署：在南京外围，设置第一道防线，以5个军分别防守；在南京复廊设第M道防线，以2个军外加教导总队、宪兵队防守。
日军进攻南京中华门12月1日，日军大本营下达第8号敕令：“华中方面军司令官须与海军协同，攻占敌国首都南京。”当天，华中方面军决定用6个师进行南京作战。12月3日，日军分三路向南京方面进攻：北路1个师从镇江过长江，西进六合，攻占滁县，切断津浦铁路。南路1个师和1个支队从泅安和广德出发，经宁国和郎溪、石臼湖，占领芜湖和浦口，堵住守军的退路；中路4个师从正面向南京攻击前进，于12月7日进抵南京近郊。至此，日华中方面军已完成了对南京城的包围。
12月7日，蒋介石离开南京前召集少将以上守城将领训话，重申南京地位之重要，不能轻易放弃，并要求大家听从唐生智指挥，共同负起守卫的责任。8日，唐生智下令第一线守军退至复廊阵地继续抵抗，并采取禁止北渡长江等措施，决心背水一战。9日，日军集中5个师开始向守军复廊阵地全面进攻。光华门城垣首先告急，日军一部两次突入城内，均被守军消灭。日军受挫后，便于11日集中2个师猛攻雨花台和中华门，并对该地区进行昼夜轰炸。守军第88师拚命抵抗，2个旅长均壮烈牺牲，终因部队伤亡过重，雨花台和中华门相继被陷。战至12日晚，紫金山亦被日军占领。与此同时，各城门均告失守，中国守军与从中华门突入的日军展开巷战，南京危在旦夕。12日下午，唐生智根据蒋介石的指示，向守城部队下达了突围的命令。当时南京城已呈现混乱状态，除少数部队从正面突围出去外，大部分部队涌向下关，造成严重失控和极度堵塞局面。不少人挤死在城门洞里或淹死在江里，更多的人则在日军飞机和机枪扫射下丧生。12月13日，南京陷落。
12月中旬，日华中方面军又令第18师配合第101师向浙江杭州方向进攻，12月24日占领杭州。至此，京沪杭地区便成了沦陷区。
南京保卫战历时10天，以南京的陷落而告终。中国统帅部在上海失守、中国军队主力元气大伤的不利情况下，仍调集兵力组织南京保卫战，广大守城官兵在处于劣势的情况下，全凭一腔爱国热情，以血肉之躯，力御强敌，这些都是值得称颂的。
南京保卫战失利决非偶然。敌我力量对比的差距、战前不利的敌我态势和南京易攻难守的地形，是造成南京失利的客观因素。在主观指导上也存在严重缺陷：蒋介石不相信、不依靠人民群众的力量，寄希望于国际形势的变化，寄希望于陶德曼的调停，结果落空。在南京城不利于死守的情况下，蒋介石没有采纳部下“作象征性防守”和“适当抵抗”的建议，而决定死守，导致守军撤退失时，这不能不是战略决策的失误。在战役部署上，不是从实际出发，把防御的重点摆在南京外围，而是犯了城内不宜死守的大忌，导致守军无路可退，蒙受不应有的巨大伤亡。