עוד עם פתיחת הקרב על שאנגחאי הפכה נאנג'ינג, בהיותה הבירה למטרה מספר אחת של פשיטות אוויריות אשר בוצעו בידי כוח ההגנה העצמית האווירי של יפן (חיל האוויר היפני). ב-15 באוגוסט פשיטה מרכזית של טייסת בת 20 יחידות אוויריות הפציצה בפעם הראשונה את הבירה הסינית. המטרות המרכזיות של התקיפות היפניות היו שדות התעופה ומרכזי האוכלוסין. עם ההפצצות נשלחו כוחות רגלים סינים לירות לעבר המפציצים היפנים. תוצאת הקרב הייתה שמתוך 20 מטוסים ארבעה עלו בלהבות ושישה דרשו תיקון בעוד מהצד הסיני היו כמה עשרות פצועים ובהם גם פצוע קשה אך לא מעבר.
היו מספר הפצצות כזו אשר התרחשו ב-16 באוגוסט, 26 באוגוסט, 14 בספטמבר ועוד.
ההפצצה הגדולה ביותר על העיר נאנג'ינג בוצעה בידי היפנים ב-25 בספטמבר 1937. בין 09:30 בבוקר ל-16:30 אחר הצהריים בוצעו 94 גיחות של טייסות אשר המטירו מעל 200 פצצות וריססו את העיר במכונות ירייה. בעודם מתקרבים שיגר לעברם חיל האוויר של הרפובליקה הסינית מטוסי קרב כדי ליירטם וירה אש נ"מ ממושכת מפאתי העיר. מבין המפקדים הסינים בשטח היה דיווח כי
המערך הסיני.
בעת נקבעה ההגנה הזמנית על נאנג'ינג מינה צ'יאנג את טאנג שנגג'י למפקד חיל המצב בעיר ב-17 בנובמבר. יום לאחר שב-24 בנובמבר הוכרז רשמית על פיקודו של טאנג רשם צ'יאנג אישית את פקודות הקרב הראשוניות לחיל המצב: (1) טאנג שנגג'י הוא המפקד. (2) סון יואנליאנג הוא מפקד הגיס ה-72. (3) סונג שיליין הוא מפקד הגיס ה-78. (4) יחידת האבטחה של הבירה תחת גו צ'נגלון היא (א) הבריגדה המפקדת של אזור יונגצ'ינג, (ב) כוח משטרה צבאית. (5) כוחות מיוחדים אחרים. לקראת דצמבר חיל המצב אומן וגדל דרך גיוס קבע, כוחות הוקצו לפריפריה ובדו"ח הקרב המפורט של חיל המצב נכתב:
הכוחות הסינים הכינו מקלעים, פרשו חיילים, חפרו תעלות מגן ועוד, בסך היו אלו בין 90,000 ל-100,000 חיילים סיניים בהגנה על בירתם.
המלחמה בצדי העיר.
עמדות ראשיות.
הקו המזרחי של הגנת העיר מג'ורונג אל טאנגשאן היה למרכז של ההתכתשויות הצבאיות הראשונות. ב-4 בדצמבר הגיע חיל החלוץ היפני בקירוב אל מקדש טיאן-וואנג. על כן החלה התפרשות של חטיבות בגיס הסיני ה-66. בשחר היום שלמחרת (5 בדצמבר) החלה אש אגדים סינים על כוחות יפנים קטנים אשר נסו מפניהם. הכוחות היפנים פעלו להטריד את עמדות העורף הסיניות ובערב שני אגדים יפנים כבשו את מרכז הממשל של תת-המחוז ג'ורונג.
אותם כוחות החלו ביום שלמחרת לתקוף את טאנגשאן בקירוב לנאנג'ינג. דאז החל כוח יפני לבצע פעולת מעקפים וב-7 בדצמבר עמדות המוצבים הסיניים המגנים על מוצב טאנגשאן הותקפו בידי כוחות יפנים עדיפים ונפרצו במספר רב של נקודות. החלה פעולת נסיגה לתוך העיר ועד השעה 02:00 בלילה כל חיילי המגן על מוצב מנטאנג בפריפריה המזרחית של העיר הקריבו את חייהם בקרב נגד הכוחות היפנים הרבים, המתוגברים והמפתיעים. החטיבה ה-41 של הארמייה השנייה מתוך חיל המוצב החלה ב-8 בדצמבר, שעה 06:00 בבוקר במתקפה עזה על יחידות יפנים.
בבוקר 8 בדצמבר הכוחות היפנים שהחלו תקיפה על הר ניושואו בלילה השתמשו למען מטרתם ב-40 טנקים. לאחר קרבות עזים עברה הוראה על נסיגה מתוך הצד הסיני בערב ה-9 בדצמבר, אובדן העמדות הסיניות בהר הביאו להסרת המעצורים על ההתקדמות היפנית לעבר צדה המערבי של העיר. למרות ההפסד, הפעולות ההרואיות הרבות אשר בוצעו בידי הצבא הסיני במערך הפריפריה הפך את המערכה לפרק מפואר בהיסטוריה הצבאית שלהם. בסיכום לאחר מעשה, מפקדת חיל המצב אישרה במלואו של הקרב כי:
קריאת כניעה יפנית.
העמדות הסיניות אשר התפרסו בהתעקלות ממזרח, דרום ומערב לעיר הובקעו בנקודות מרובות עם הזמן במה שנראה כמגמה בלתי נמנעת. עיקרון המחנה הסיני היה לשמור על הכוחות כמה שיותר זמן. הכוחות היפנים פרצו לבסוף את כלל עמדות הפריפריה והגיעו אל חומות העיר עצמה. ב-9 בדצמבר איוואנה מטסוי שלח אולטימטום כניעה לכוחות המגן בנאנג'ינג. לאחר קריאת האולטימטום הוציא טאנג שנגג'י את פקודות מטהו בשעה 19:00 בערב:
בפקודות אלו הועבר המסר כי חיל המוצב לא נכנע לקראת האולטימטום של מטסוי.
ההר הסגול.
עם דחיית האולטימטום הוציא מטסוי פקודת מתקפה כללית על הבירה הסינית. ההר הסגול היה למקום מושב המוזוליאום של סון יאט-סן, אבי האומה הסינית, על כן פרס טאנג את המיטב בכוחותיו להגנה על ההר. בריגדת הצוערים אשר נשלחה לפעולת השמירה על ההר זכתה ממוניטין של "משמרות הברזל של צ'יאנג קאי-שק". בריגדת הצוערים אשר פיקדה על שלושה גדודי רגלים, שלושה גייסות ושישה אגדים שאומנו בחונאן וג'יאנגשי, נלחמה בכוח עז נגד הפושטים היפנים מאז 8 בדצמבר.
ב-10 בדצמבר, לאחר פקודת התקיפה הכללית פתחה החטיבה ה-16 במתקפה והתנגשות קשה עם הבריגדה ונתיניה על ההר הסגול. היפנים נתקלו בקרב קשה, נסוגו ושבו בפשיטות ליליות בעזרת הפלוגה השישית שנודעה בעוז רוחה בעוד הסינים ירו כל אשר היה בידם על היפנים התוקפים. יומיים שלמים לחמו הצדדים ללא מעצורים עד אשר היפנים יצאו ב-12 בדצמבר בהפגזות ארטילריות. הכוחות היפנים עצמם העריכו את הפועל האמיץ של הסינים ובדו"ח האחרון לאחר הכיבוש היפני של ההר כתבו היפנים כי בעת הפשיטה על ההר:
מטסוי עצמו נאלץ להודות כי המפקדים בכוח הסיני העריכו בטוב את האומץ וקור הרוח של הצוערים ובדו"ח לצ'יאנג קאי שק נכתב:
פשיטה על שערי העיר.
הפלישה המרכזית של הכוחות היפנים התרכזה על שער גואנגחואה הכביר, הגבוה, המרכזי והמאובטח. מדי יום התקיימו קרבות פנים אל פנים בשערים בעוד ממרחק בוצעו הפגזות מתותחים בירי ארטילרי. מדי יום היו שערי העיר נפרצים וכוחות סיניים היו מקריבים עצמם להכריח נסיגה יפנית, דאז היו הכוחות הסינים מתנקשים במעטים היפנים אשר פלשו דרך השערים הפרוצים אותם הם מתקנים ומכינים מחדש לעוד יום של קרבות. ב-10 בדצמבר נפערו שתי פרצות בשער העיר ועם תמיכת טנקים יחידת רגלים יפנית עברה בשערי העיר והחלה לפגוע בעמודי התמיכה שלהם בשדרות מהצד הפנימי של החומה. בשביל להפיל את יחידת היפנים אשר התיישבה בתוך העיר, אומנו יחידות מתאבדים לירי לילי על היפנים בתוך העיר אשר נפגעו קשות.
ביום שלמחרת, 11 בדצמבר הקרב הפך אכזר יותר ויותר ופלוגות סיניות נשלחו זו אחר זו למאבק ישיר, עקוב מדם בכוחות היפנים אשר היו חייבים לרדת למצב מגננה מרבית. בקורות המלחמה של הפלוגה הסינית השלישית נכתב על הקרב פנים אל פנים, רימונים ואבק, אש ממושכת ועוד בתוך ה-30 דקות הכאוטים ביותר של המאבק בשער גואנגחואה.
ב-12 בדצמבר תגבורת יפנית הקשתה אף יותר על המאבק. אגד יחידת מתאבדים מיומן בן שישה חיילים יצא ללחימה הקטלנית והביא לפגיעה קשה במערך הסיני אשר נמתח לאורך השער. הקרבות עברו ממרכזן והחלו להתרכז על גשר סאיגונג, מפקד האגד ה-302 הסיני, צ'נג ג'י, אשר הנהיג אישית את אוגדתו מצא את מותו בירי תשעה כדורי מקלע לעבר בטנו. היפנים כבשו את הגשר אך הכוחות הסינים החזירו אותו אליהם מחדש פעם אחר פעם בקרבות פנים אל פנים, עושים הכל בשביל להחזיר ולהשאיר את דגל הרפובליקה הסינית על גבי מוצב הגשר.
כיבוש נאנג'ינג.
היה זה בנקודה זאת, לאחר הקרבות הקשים על השערים בהם מאות חיילים משני הצדדים נהרגו, שנאנג'ינג הייתה מכותרת. ממזרח היו הקרבות הקשים על שערי העיר עצמה אשר הובלו בידי הכוחות היפנים שנעו מצפון לאגם טאי אך נוסף אליהם מרב הכוחות היפנים נע מדרום לאגם וכיתר את העיר מהחזיתות הדרומיות והמערביות בעוד כל אשר נותר חופשי, הצפון בוא השתרע נהר היאנגצה לא היה ניתן כמעט ובכלל למעבר עקב הסחף האדיר. בעודו מבין את המצב החמור אליו הגיעו, טאנג קרא לחייליו להתכונן לקראת מערכה חזיתית בתוך רחובות, שדרות וסמטאות העיר.
לבסוף כוונה זאת ננטשה כאשר הגיעה הוראה מפי צ'יאנג קאי שק לנטוש את הבירה נאנג'ינג ולסגת מערבה למרכז סין, צ'יאנג ראה את הערך בחיילים ולא הרשה לעצמו לאבד את כללם במאבק בלתי-אפשרי על הבירה המכותרת. גו ג'וטונג, סגן מפקד האזור הצבאי השלישי נשלח להעביר את המסר של צ'יאנג אל טאנג שנגג'י, דבר אשר נעשה בשיחה טלפונית במהלך 11 בדצמבר במילים אלו של גו: לאחר מכן ניתנה תגובתו של טאנג: השיח על דרכי הנסיגה המשיך בין השניים עד אשר הגיע המסמך הרשמי של צ'יאנג אל טאנג ובו נכתב:
נסיגה סינית.
כאשר טאנג הוציא הוראה להרעיף לחץ מרבי על הכוחות היפנים בשערי העיר ולפרוץ את המצור ממערב החל למעשה אי סדר בתוך המערך הסיני, 9 חטיבות ניסו לברוח דרך נהר היאנגצה ומצאו את מותם בסחף הנהר. היו חיילים שהסגירו עצמם לידי הכוחות היפנים והיו אשר התחבאו בתוך האוכלוסייה האזרחית. מכל היחידות הצבאיות הגדולות הייתה זו רק הארמייה הסינית השנייה, אשר הכינה 20 כלי שיט סדירים, שחצתה בבטחה ובשלמותה את נהר היאנגצה. לארמייה נספרו 5,097 אבדות במאבק נגד היפנים אך שאר חייליה, 11,451 איש במספר, צלחו את חציית הנהר למקום מבטחים והחלו לנוע לפנים סין.
שער חשוב נוסף לתוך נאנג'ינג היה שער טאיפינג אשר יחידת צוערים הגנה עליו מפני האגד ה-33 של החטיבה היפנית ה-16, אותו האגד אשר כבש את ההר הסגול לאחר קרב עקוב מדם. עד לערב 13 בדצמבר נכבש שער טאיפינג והונף עליו דגל יפני כמו גם על כל שעריה העתיקים של העיר, כולם נפלו לפלישה. בליל 12 בדצמבר עברה ההוראה לכוחות בגואנגחואה לסגת מן העמדות.