和淞滬戰場一樣，裝備精良的日本重兵集團在逼近南京時同樣遇到了**部隊的英勇抵抗，並且越接近城下這種抵抗就愈加強烈。和先前的每天推進近百公里不同，在連克南京外圍城廓、向主城推進的過程中，雖然裝備、人數佔絕對優勢（15萬—8萬，日軍飛機大炮一應俱全且有海空支持，而**都是從淞滬打殘了撤下來的殘兵且無任何飛機坦克等戰術武器），但小日本每前進一步還是付出慘重代價。
12月8日，日軍114師團66聯隊進攻將軍山**陣地。他們先用4年式150榴彈炮平射**機槍火力點，然後在6輛94式超輕型坦克(日本稱為94式輕裝甲車)掩護下展開瘋狂進攻。平射炮連續轟擊摧毀**的部分機槍掩體，一發炮彈便可將掩體裡的機槍手炸得肢體橫飛，**迸裂。但就是在這種情況下，守衛將軍山的88師也未曾後退一步。
同日，日軍第9師團的1個大隊攻擊了光華門，並且取得了突破。**第88師第524團的1個營隨即發起了反擊。戰鬥中，憲兵第2團組織了1個加強排帶著6挺zb26輕機槍（俗稱捷克式造）乘坐6輛公共汽車趕來助戰，這些憲兵打的很聰明——城下9輛日軍戰車隨時槍打炮擊敢於露頭的**，於是憲兵們就將綁著小圓鏡子的木棍伸出去觀察日軍。兩天激戰過後，**第88師第524團僅存17人。已更新
8日黃昏，天漸漸黑了下來。日軍第9師團35聯隊一夥悄悄高橋門城門洞裡。負責守衛該城門的**159師38團2營因防禦工事射擊不合理，火力夠不著扔手榴彈也炸不著。而窩在城門洞內的日軍卻能殺傷守城官兵。守城官兵正急得手足無措的時候，不知誰說了一句「燒死這幫龜孫」。於是大家便七手八腳找來汽油順著城牆澆到城門洞，然後159師幾十名敢死隊繫著繩索悄悄懸垂落地，一陣手榴彈引燃汽油，城門洞中的日寇無一生還。任務完成以後這幾十名勇士並沒有攀繩而上，而是抱著必死的信念朝城外增援過來的日軍營房猛撲過去，直打得日軍抱頭鼠竄、哀嚎遍地。這幫勇士拚殺到最後全部捐軀於高橋門外。
由於**英勇抵抗，進攻太平門方向的日軍第16師團在推進到離城門不到1000米時候突然遭到紫金山守軍炮火打擊，傷亡嚴重，僅僅前三天，日軍就在南京城外留下了7000多具屍體。該師團司令官中島今朝吾於是命令掉轉兵力集中炮火攻打紫金山。桂永清的教導總隊在此駐防，將一個炮兵團擺在紫金山頂，居高臨下對半個南京城形成威脅，日軍集中兩個師團的兵力在80多輛坦克的掩護下兵分兩路向紫金山發起猛攻。中山陵、靈谷寺頓時掩埋在炮火中，激戰三晝夜守軍大部傷亡，但主陣地始終未失。
但畢竟敵我力量過於懸殊，所以在痛擊日軍的同時**也付出慘重代價，參戰各部隊傷亡率均在四成以上。可即使如此他們也從未退縮放棄，在裝備精良、訓練有素的日寇面前展現了中華民族的尊嚴，上演出一幕幕可歌可泣的英勇事跡。
駐守淳化鎮的**第74軍51師301團代團長紀鴻儒身負重傷，連長傷亡9名，排以下傷亡1400餘人。該團已完全喪失了戰鬥力但卻拒不撤退。第58師305團團長張靈甫身負重傷，該團傷亡連長5人，排長以下傷亡600多人，但同樣拒絕退出戰鬥序列。
12月9日，到達蘇州的日軍華中方面軍司令松井石根向南京守軍發出最後通牒敦促投降，限於10日中午開城投降。公告全文如下：
「我大日本皇軍屯兵百萬，既席捲江南，南京城亦在包圍之中，戰局大勢已極明顯，故今後之抵抗，有百害而無一利。況江寧之地，為中國往日之京畿，民國之首都，明孝陵、中山陵等均集於斯，誠為東亞文化精髓之區。日軍對抵抗者，將採取極嚴峻之手段，決不寬恕，但對中國民眾及無敵意之中**隊，將予以寬大，以示對東亞文化保護之熱意。若貴軍繼續抵抗，南京之戰禍勢必難免，千載之文化將化為灰燼，十年之建設亦全成泡影。本司令官代表日本部隊，向貴軍提出勸告，希以和平開放南京城。」
而負責守衛南京的唐生智態度強硬，他絲毫不聽從來自重慶方面的勸告嚴詞拒絕了松井石根的勸降。並發出一連串命令，企圖以「破釜沉舟」的精神背水死戰：
「（1）本軍目下佔領復廓陣地為固守南京之最後戰鬥，各部隊應以與陣地共存亡之決心盡力固守，決不許輕棄寸土、搖動全軍，若有不遵命令擅自後移，定遵委座命令，按連坐法從嚴辦理。
（2）各軍所得船隻，一律繳交運輸司令部保管，不准私自扣留，著派第78軍軍長宋希濂負責指揮。沿江憲、警嚴禁部隊散兵私自乘船渡江，違者即行拘捕嚴辦。倘敢抗拒，以武力制止。」
1937年12月10日，勸降被拒絕以後，惱羞成怒的松井石根一方面命令空軍向南京城內投放勸降文書，一方面命令攻城各部隊向南京城總攻擊。這個時候他早已將「圍而不攻」的原定作戰方案完全拋到了九霄雲外，只想著狠狠教訓一下城內不知天高地厚的支那守軍，讓他們嘗嘗大日本皇軍機槍重炮的厲害。
第16師團的主攻方向為中山門——
12月10日，日軍戰機對中山門、紫金山和太平門進行狂轟濫炸，下午4點開始進攻中山門和太平門。首先由三國直福大佐率領的第30旅團重炮聯隊轟塌了光華門兩側的城牆，接著在94式超輕型坦克掩護下野田謙吾的第33聯隊突破外圍防禦陣地，向紫金山頂峰發起最後攻擊。戰鬥異常激烈，紫金山上一片火海。經過一晝夜激烈戰鬥，日軍在撂下近千具死屍後終於佔領了紫金山主峰。