至12月3日，蘇軍航空志願隊宣稱已擊落日機20架，但無力扭轉京滬戰區的局勢發展。12月5日，蘇軍各機接獲命令，自6日晨起不得飛往南京。12月6日，中國航委會下達撤退令，駐於南京的中國空軍與蘇軍航空志願隊陸續撤離至漢口、南昌和廣州。12月7日，蔣中正乘機撤離南京。12月9日，日軍攻入大校場機場。12月12日，日軍已全面包圍南京城，並出動第三艦隊航空隊、第十二、第十三航空隊對南京內陣地和浦口進行轟炸。當天上午，華中方面軍司令部電告常州基地的第二聯合航空隊司令部稱南京上游江面有滿載撤退的中國士兵的商船，請求海軍航空兵攻擊之。12點40分，第十三航空隊隊長村田重治率隊攻擊中國商船隊，在南京上游45公里處發現停泊的美國炮艦「」與三艘標準石油公司的商船，隨即攻擊之，「帕奈號」中彈沉沒，造成4人死亡、3人重傷、10多人受傷，世稱「帕奈号事件」，儘管日本承認其錯誤，支付了全額賠償金和表示謝罪，此事依舊令美日關係嚴重惡化。12月13日，日軍佔領南京，南京的防空作戰也隨之結束，無法帶走的防空武器裝備則不得不就地摧毀或遺棄。