日軍第10軍遵照方面軍的命令，部署第114師團沿溧陽、溧水公路向南京南部方向攻擊前進；第6師團沿廣德、洪蘭埠公路，在第114師團后，也向南京南部方向攻擊前進。

而國崎支隊沿廣德、郎溪公路進占太平（當涂），爾后渡江迂回至浦口附近，切斷南京守軍北退之路；第18師團經宣城向蕪湖進攻，切斷南京守軍西退之路。

從12月3日至6日，經過4天的戰斗，日軍正面的第18師團、第9師團突破守軍第83軍及第66軍的警戒、前進陣地，占領了句容，進至句容以西的黃梅、土橋及湖熟鎮一帶，并有一部兵力由右翼深入到孟塘、大胡山附近。

第114師團突破了守軍第72軍及第74軍的警戒、前進陣地，占領了溧水，進至溧水以北之秣陵關、陸朗鎮及江寧鎮一帶。

此時，日軍右翼的天谷支隊和第13師團正向鎮江、靖江進攻中，左翼的第6師團正向秣陵關前進中，國崎支隊和第18師團正向當涂、宣城進攻中。

12月6日下午，南京衛戍司令長官部發現日軍迫近第一線陣地，其第16師團一部已滲入至湯山鎮左側后的胡塘、大胡山附近，遂急令第36師速派1個步兵團進占麒麟門附近陣地，以掩護第66軍側背，并阻止該敵繼續滲入。

又令在鎮江的第71軍、在鎮江及東昌街一帶的第83軍迅速向南京轉移，以增強南京的防守力量；規定第71軍轉移后，鎮江要塞由第103師代師長戴之奇指揮。

同時令第2軍團（第10軍）剛剛抵達南京棲霞山附近的第41師推進至龍潭、烏鴉山地區，以掩護第71軍及第83軍轉進，并保持與鎮江的聯系。

由于南京已成圍城，即將變為戰場，蔣介石于當晚召集少將以上軍官開會，于7日晨5時45分乘飛機離開南京，飛赴江西，轉武漢統帥部。

12月7日，日“華中方面軍”下令，于當日開始向南京外圍第一線防御陣地進攻。

日軍突破第一線陣地后，繼續向南京城復廓陣地攻擊；集中到達戰場的全部炮兵火力，用以摧毀并奪取城垣。

日軍松井石根司令官從空中投函唐生智勸降。唐生智不予理睬，繼續命令各部隊“應以與陣地共存亡之決心盡力固守，決不許輕棄寸土。”

于是松井石根規定“上海派遣軍”負責攻擊東北面的中山門、太平門、和平門，第10軍負責攻擊西南面的共和門、中華門、水西門。城內兩軍作戰地區分界線為共和門—公園路—中正街—漢中路。

12月7日，日軍在炮兵及航空兵強大火力支援下開始向第一線主陣地帶發起全面猛攻。

南京衛戍司令長官部將從鎮江剛剛撤回的第71軍控置于第74軍和第66軍結合部后方的高橋門一帶，同時令第66軍以一部兵力從湯山鎮由南向北、第41師以一部兵力從射烏龍山由北向南、第36師預備2團配屬戰車連（欠1排）從麒麟門由西向東，對突入胡塘、大胡山附近之敵實施合擊。

但由于日軍后續部隊已從突破口投入戰斗，第66軍湯山鎮陣地和第41師棲霞山陣地均遭日軍猛烈攻擊，因而三面合擊的企圖無法實現，轉以第36師的預備2團在東流以西、以南一帶抗擊已占領復興橋日軍的進攻。

12月8日，原在湖州地區的日軍第6師團亦以強行軍趕至秣陵鎮以西地區，在第114師團左翼展開，參加了進攻南京外圍陣地的作戰。

南京外圍第一線陣地經過兩日一夜的激烈戰斗，各主要防御地段上的工事多已被日軍炮兵及航空兵火力摧毀，守軍傷亡慘重。

當日下午，日軍在坦克引導下先后攻占了湯山鎮、淳化鎮等重要據點。與此同時，日軍右翼第13師團的第26旅團沼田支隊已擊退第57軍的第111師，占領靖江，天谷支隊已攻入鎮江，日軍左翼國崎支隊已進至當涂附近。

南京衛戍司令長官部鑒于上述情況，為集中兵力固守南京，一方面下令第一線陣地守軍退守復廓陣地；一方面命鎮江的第103師、第112師及其附近的第82軍迅速撤至南京。

8日下午，第2軍團的第48師已運抵南京，第83軍的第156師也撤至南京，其第154師仍在撤退途中。

16時，南京衛戍司令長官部下達了“衛參作字第28號”命令，對復廓陣地的防守進行部署。

同時還令憲兵教導2團防守水西門至漢中門城垣陣地及城外上新河河堤陣地，令憲兵第2團防守城內清涼山，令憲兵第10團防守城內明故宮飛機場。

南京外圍第一線陣地被突破后，守軍撤退倉促，缺乏有效的掩護措施，日軍乘勢尾隨，跟蹤追擊，以致有些復廓陣地尚未占領穩固，即為日軍突破。

至9日拂曉，日“上海派遣軍”第16師團進至麒麟門、蒼波門一帶；第9師團進至光華門外，占領了大校場及通光營房；第10軍的第114師團進至雨花臺南；第6師團進至雨花臺西，其左翼一部占領大勝關。

中國軍隊第60軍退至大水關、燕子磯一帶整頓；第74軍退至水西門內外，改任城垣守備。

日軍一方面進行攻城準備，如部署炮兵進入陣地，坦克集中于待機地域以及選定入城路線等；一方面用飛機向城中投撒日“華中方面軍”司令官松井石根致中國守軍的最后通牒，進行勸降。

唐生智對松井的最后通牒置之不理，并于當日下達了“衛參作字第36號”命令作為回答，以“破釜沉舟”的精神背水死戰。

9日當天，突入至光華門外的日軍第9師團部隊，在高橋門陣地炮兵火力直接支援下猛攻光華門外工兵學校第87師第260旅防守陣地及教導總隊防守陣地，10時左右攻占了工兵學校。

下午，坦克及炮兵火力曾3次攻擊城門，并有少數日軍突入城內。

衛戍司令部急調控置于清涼山的憲兵教導2團預備隊一部增援光華門，同時令第87師進行反擊。

第87師副師長陳頤鼎指揮第261旅一部和第259旅一部分由通濟門和天堂村向敵軍側背實施合擊，激戰約數小時，經多次反復肉搏，終將迫近光華門的日軍擊退，恢復了工兵學校的陣地，暫時穩定了局勢。

但已突入城中的少數日軍仍潛伏于光華門城門洞中。日第10軍的國崎支隊當晚占領了當涂。

12月10日，日軍見中國軍隊拒絕投降，遂向雨花臺、通濟門、光華門、紫金山第3峰等陣地發起全面進攻，戰況較9日更為激烈。

特別是城東南方面，因復廓陣地已基本喪失，日軍直接進攻城垣，所以形勢尤為嚴峻。

衛戍司令部急令第83軍的第156師增援光華門、通濟門城垣的守備，并于城內各要點趕筑準備巷戰的預備工事，同時將第66軍由大水關、燕子磯調入城內，部署于中山門及玄武門內構筑工事，準備巷戰。

另以剛剛由鎮江撤入南京城內的第103師及第112師由教導總隊總隊長桂永清指揮，負責中山門附近城垣及紫金山陣地的守備。

當夜，第156師選派小分隊墜城而下，將潛伏城門洞中的少數日軍全部殲滅。

雨花臺方面，日軍2個師團主力和步、炮、坦克及航空兵協同攻擊，將第88師右翼第一線陣地全部摧毀。國軍殘部退守第二線陣地。

當晚，日軍第18師團占領了蕪湖。

12月11日，日軍第16師團猛攻紫金山南北的中國軍隊陣地。

紫金山及其以南地區，教導總隊堅決抗擊。激戰終日，日軍毫無進展，惟其右翼部隊攻占了第2軍團防守的楊坊山、銀孔山陣地，進至堯化門附近。

日“上海派遣軍”為使其第16師團進攻容易及適時切斷守軍的東退道路，又從正在鎮江等船渡江的第13師團中調山田支隊，從第16師團右翼加入戰斗，向烏龍山、幕府山炮臺進攻。

日軍第10軍的第114師團及第6師團主力繼續攻擊雨花臺。第88師的第二線陣地又被摧毀，守軍被迫據守核心陣地。

日軍第114師團右翼部隊開始攻擊中華門，城門被炮火擊毀。少數日軍一度突入城內，但被第88師據守城垣的部隊殲滅。

日軍第6師團左翼部隊之一部沿長江東岸北進，在上新河擊退憲兵教導2團的1個營，占領了水西門。