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國軍部隊的英勇抵抗，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，而國軍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聯隊進攻將軍山國軍陣地。他們先用4年式150**炮平射國軍機槍火力點，然後在6輛94式超輕型坦克(日本稱爲94式輕裝甲車)掩護下展開瘋狂進攻。平射炮連續轟擊摧毀國軍的部分機槍掩體，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。國軍第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個加強排帶着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國軍，於是憲兵們就將綁着小圓鏡子的木棍伸出去觀察日軍。兩天激戰過後，國軍第88師第524團僅存17人。
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。負責守衛該城門的國軍159師38團2營因防禦工事射擊不合理，火力夠不着扔手**也炸不着。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着城牆澆到城門洞，然後159師幾十名敢死隊繫着繩索悄悄懸垂落地，一陣手**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，而是抱着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。這幫勇士拼殺到最後全部捐軀於高橋門外。
由於國軍英勇抵抗，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國軍也付出慘重代價，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蹟。
駐守淳化鎮的國軍第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鬆井石根向南京守軍發出最後通諜敦促投降，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，爲中國往日之京畿，民國之首都，明孝陵、中山陵等均集於斯，誠爲東亞文化精髓之區。日軍對抵抗者，將採取極嚴峻之手段，決不寬恕，但對中國民衆及無敵意之中國軍隊，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，千載之文化將化爲灰燼，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。”