南京的防守，重在外围线，前已言之；敌军既已迫近丹阳、溧水，直叩国门；广德之敌，分兵趋郎溪、高淳，攻当涂，渡江入和县，绕道长江北岸攻浦口，战事已经进入内卫线了。
“南京市与附郭之江宁县，北控长江，南界溧水，东邻句容，西毗安徽之当涂；大江自当涂东北流，江宁首为其冲，至县北境，过燕子矶，乃折而东行，故西北二面濒临大江。京市地处秦淮河下流，广大盆地中，城之内外复有山陵环峙，古称‘龙盘虎踞’之地。京市山之高者为钟山，居高临下，为全城之锁钥。第三峰迫临城市，尤为重要。第三峰之南麓有一高阜，名曰富贵山，明初筑太平门，城跨其上，为历代兵争之地。隋军攻陈，湘军破金陵，皆由此入。（太平军于第三峰筑天保城，于富贵山筑地保城。）辛亥革命，浙军克天保城，而南京遂下。金陵形势，富贵山而外，雨花台亦为必争之地，其地距南门甚近，登高而望，全城如在釜中。他如狮子、幕府、乌龙诸山，皆俯临长江，便于防守，其上皆建炮台。江宁境内，亦丘陵与原野相间，东北有青龙、黄龙、大连、栖霞诸山，西南则牛首、马鞍、大凹、鸡笼诸山，山地四周，多为黄山丘阜，蔓延绵亘；介于此两丘陵区之间，则为秦淮平原。”（节引《抗战地理》）我军的内卫布防，也就配合着这险要的地理形势。
敌军于展开苏州河战斗之际，便认为中国的野战军主力，已被消耗殆尽；军事解决已不成问题，第二步只要攻破了南京，摧毁这个政治中心，则城下之盟一定非承受不可。（而且上海又是经济中心。）可是我们的统帅，早定了长期消耗战的策略；南京内卫线，虽在形势上可以维持久战，却不想把我们的野战主力消耗在被包围的圈子中。十一月二十八日，蒋委员长便已向高级将领指示：“一、南京守城，非守与不守之问题，而是固守的时间问题；在敌军火力优势，长江得自由航行之情势下，欲期保持，颇属难能，故只可希望较短时间之防守。二、既作短时间守城之望，则不必将全部之基干部队，全部牺牲，须预为撤退之掩护。（三、四从略。）五、最后应以主力占领溧水、秣陵关、丹阳、无锡、采石矶、当涂、芜湖附近地区，牵制向南京攻击之敌军，并掩护南京城防守军之侧背。六、若是，至不得已放弃南京时，各防守部队撤退，得有掩护。七、预计敌十日左右，方能到达南京城下，再固守两周以上，约需月余之时间，故我全军各部队，应设法迅速补充，使月余后充实战斗力，则我军可随时由山地内予以局部之攻击，使敌军受我威胁，而不再作屈辱我军之期望。”从这训示，我们可以明白统帅部根据逐次消耗战略而确立的南京防守计划了。
进入南京防卫战阶段，我军战斗序列，重新加以部署：首都卫戍司令长官部由唐生智将军指挥，其他则有八三军邓龙光部，六六军叶肇部，七四军俞济时部，七八军宋希濂部，七十二军孙元良部，五十一师王耀武部。左翼军（第三战区）由顾祝同将军指挥第九、十九两集团军，第九集团军上官云相将军辖第十一军团（上官部）及第十七军团（胡宗南部），第十九集团军薛岳、香翰屏两将军辖第十五军团（刘兴部）、第十八军团（吴奇伟部）。右翼军（第七战区）陈诚将军指挥第十五、第八、廿三三个集团军。第十五集团军刘建绪将军辖廿三军团（刘部）、十六军团（罗卓英部）。第八集团军张发奎、廖磊两将军辖第七军团。廿三集团军，唐式遵将军辖廿四军团（唐部）、廿五军团（潘文华部）。当时的情势，敌军以进攻南京为主要目标，我军则做掩护退却的准备，大部分兵力布防在皖南（左翼）浙西（右翼）一线；我们明白了当时的布置，才可以对南京防御战前后的军情，有深切的了解。
敌军来攻，分四路出动：右翼之东路，自京杭国道之溧阳，经南渡镇，北攻句容正南之天王寺。十二月五日，敌占句容，分兵两支：一支绕汤水镇北九华山之背，取小道，攻麒麟门。麒麟门位南京正东，为中山门外之屏障。一支自天王寺沿石子路，攻我光华门东南之淳化镇，为敌主力所在。（淳化镇当句容入京之要冲。）右翼之西路，乃攻广德之敌，为了避我军主力，折北取道京建路，占郎溪、东坝等要点，敌军由此分二路，一路西攻宣城，袭我湾车站（江南铁路线），一路北攻水阳镇，绕丹阳湖攻我当涂，渡江攻和县，沿长江北岸进攻浦口。又一路由溧水北攻陵关。（陵关位于章山东北，方山西南，形势至为重要。）十二月八日我陵关阵地移至牛首山，九日光华、通济二门已有敌踪，十日，汤山我军移至中山门外；攻牛首山之敌乘胜前进，与我战于雨花台南，以断我芜湖南京之联络，城北乌龙山阵地亦毁。从那天以后，南京已进入街市战阶段，战况略如下记：
十二月十二日——敌一部由中华门突进，被我军奋勇击退，入夜，该方面战斗尤烈。先是我军决定部署决围向徽州方面转进，是夜开始动作。唐卫戍司令长官生智将军以及在京诸将领，均于是夜渡江至浦口。
十二月十三日——从缺口突入中华门之敌，与我军巷战甚为激烈。光华门缺口亦被突入，两军混战竟日，死伤万余人。政府以政治重心西移，乃令守城部队退出南京。大部渡江向临淮关、蚌埠一带转进，一部向芜湖突围，仍在激战中。
我军既退出南京，蒋委员长由前线发表宣言，申明全面抗战之决心，文云：
国军退出南京，绝不致影响我政府始终一贯抵抗日本侵略原定之国策，其唯一意义，实只加强全国一致继续抗战之决心。盖政府所在地既已西迁，南京在政治上军事上皆无重要性可言。予作战计划，本定于日军炮火过烈使我军作无谓牺牲之时，将阵地向后移动；今已本此计划，令南京驻军退守其他阵地，继续抗战。
敌军攻陷我首都以后，表现其胜利者的杰作，创造为人类史上所未有的兽性行为；焚毁、奸淫、屠杀，无所不至；诚如一位英国记者所说的：“大多数日本士兵，都是出自贫瘠乡村的无知农民，其具有奸淫掳掠的天性，正与农民出身的中国盗匪相同，可是更因为他们所掠劫的并非同种，一切最坏的兽性，都无遗地发泄出来了。”《纽约时报》记者窦尔登也曾描叙他所目睹的事实：
大批屠杀俘虏，又增加日人带给南京的恐怖。在杀却缴械投降的中国士兵之后，日人又大索城中，搜寻有当兵嫌疑的老百姓。在难民区某建筑内被捕者即有四百人。他们被一串串地捆扎起来，每串五十名，夹在步枪及机关枪的行列中，押赴刑场。记者目击二百人在南京江边被害。行刑时间约十分钟。他们先叫这些人背墙排成行列，用枪扫射，然后一些日本人拿着手枪扬长地在横七竖八的尸体周围巡视，看见还在挣扎的尸体，便打他一枪。
《曼撤斯德导报》记者田伯烈（H．J．Timperley）搜集了更多几乎使人不能置信的兽行的确凿证据，汇为《日人兽行纪实》。其中有一封从南京沦陷区的外人的来信，值得加以节引：
……万人以上的赤手空拳平民（在南京）已遭惨杀。（大多数我的可靠友人的计算都远过此数。）这些都是缴械的或被包围后投降的中国兵士；其中不少是妇孺，也惨遭射杀或被刺刀刺死，时常连“他们当过兵”的这种借口都没有。干练的德国同事统计强奸案有二万件。我认为至少不下千件，其实多半是不止此数的。只是金大一处，包括一些住有美人的美国房屋，我知道全案细节者有一百件以上，获有保证者达三百件。这种痛苦和恐怖是无法想象的。只在金大一地，小至十一岁的女郎，老至五十三岁的妇人都被强奸。在其他难民群中，七十二岁和七十六岁的老妇，也被无情地强奸；在校场上，十七个兵士在大白天轮奸一个妇人。事实上，这些案件有三分之一是在白天干的。几乎城内每一建筑，包括英、美、德等国大使馆、大使住邸及多数外侨产业，都屡遭兵士的搜劫。各种车辆及食粮、衣服、被褥、金钱、钟表、地毯、书画、各式珍玩等是搜劫的主要目标。这种情形，仍在继续，尤其是在难民区之外。现在南京没有一家商店，只有国际救济委员会的米店和一家军用商店。大多数商店被无法无天地明抢暗窃之后，再遭三五成群的士兵——显然在官长指挥下——有系统地用货车将它们洗劫净尽，然后加以焚烧。这里每天都还有几次火警。多少路段的房屋都被他们故意烧去。我们手头还藏有一些士兵放火用的化学品发火线，纵火的全部过程，我们从头到尾都看过。大多数难民的金钱及仅余的衣着、被褥、食物等都被劫去。这真是惨无人道的行为，在最初八九天中，没有一个人的脸色不是沮丧万分的。你可以想象在这个城里工作和生活的情景了罢，没有商店，没有工具，银行和交通尚未恢复，一些重要路段的房屋已悉遭焚毁，剩下来的也抢劫一空，现在只有寒冷和饥饿等候着人民。这里约有二万五千人几乎全部都在难民区中，并且有一万人的食住全赖国际委员会维持……
东京《日日新闻》在一九三七年十二月登了一则标题为“紫金山下”的消息：
准尉宫冈和野田曾约定作一个砍杀一百敌人的比赛，十二月十日，二人在紫金山下相见，彼此手中都拿砍着缺了口的军刀。
野田道：“我杀了一百零五名。你的成绩呢？”
宫冈答：“我杀了一百零六名。”
于是两个同作狂笑：“哈哈，宫冈先生多杀了一个。”
可是很不幸，就确定不了是谁先达到一百之数。因此，他俩决定这次是不分胜负，重新再赌谁先杀满一百五十名中国人。
“十二月十一日起，比赛又在进行。”这是人类史上最可耻的血污记录。
（据首都敌人罪行调查委员会调查结果，我国惨死同胞约三十万人。据谷寿夫《判决书》：我军民被敌集体射杀者十九万人，此外零星屠杀，其尸体经收埋者十五万余具，被害总数在三十万以上。市民姚加隆携眷避难，敌军将其妻奸杀，幼儿幼女在旁哀泣，被用枪尖挑入火中活焚而死。乡妇谢善真，年逾六旬，敌军用刀划杀，并以竹竿插入阴道，丁姑娘被敌军十三人轮奸，奸后，敌军用刀刺破小腹而死。当时敌军为炫耀武力，有自行拍摄之照片十五帧可证。又据金陵大学史学教授贝德士在东京作证，称：“日军奸淫妇女不分昼夜，有时竟在街上为之。有一妇人在某公墓内被日兵十七人轮奸；有一女孩，年仅九岁及该女孩七十六岁之祖母，竟在南京城内同被奸淫。有中国平民二百人，于离开金陵大学校舍后，当晚即被日兵射杀。”这可耻的血污暴行，一直不曾为日本人民所知闻，直到远东国际法庭公布了暴行的证词，才引起日人的憬悟。一九四六年七月二十八日《朝日新闻》论称：“南京暴行，彼时举世皆知；日本报纸，对于南京事件之真相，并无只字登载，回忆及此，不胜惭愧。”）
敌既陷我南京，其主力一部渡江而北，沿津浦线威力搜索前进，远及滁县；一部由镇江渡江攻扬州，沿运河分攻六合、天长、盱眙，邵伯亦于岁末沦陷。宣城、广德之敌，十二月十六日向东南向移动，转攻杭州。十八日，敌进攻企图显露，分三路进犯：一路由安吉孝丰进窥余杭，一路沿沪杭路直犯杭州，一路由京杭国道猛力推进。芜湖之敌，亦由裕溪口渡江，图犯合肥。二十一日，敌分数路进攻孝丰，窥其意向，在向我左侧积极抄袭杭州，我军且战且退，向钱塘江南岸移防。二十三日，敌进陷余杭，二十四日，敌又陷杭州，其前敌总司令长谷川率骑兵千余入城，我军与之巷战；是夜富阳亦告陷落，至是，东战场战事告一段落。