13. joulukuuta japanilaiset joukot miehittivät kaupungin. Japanilaiset eivät päässeet neuvottelemaan rauhanehdoista kiinalaisten upseerien kanssa, kuten he olivat odottaneet, koska nämä olivat kuolleet tai paenneet muualle. Joukot kohdistivat turhautumisensa siviiliväestöön. Japanilaisten komentaja määräsi kostotoimet siviiliväestölle kiristääkseen kiinalaiset joukot antautumaan, ja tilanne riistäytyi hallinnasta. Komentaja joutui Japanissa puhutteluun ja sai jonkinmoisen rangaistuksenkin. Seuranneessa kuusi viikkoa kestäneessä Nanjingin verilöylyssä japanilaiset tappoivat jopa yli 300 000 kiinalaista ja raiskasivat 20 000 naista. Jotkut suuremmat arviot puhuvat jopa 340 000 tapetusta ja 80 000 raiskatusta. Tšiang Kai-šek siirsi nyt pääkaupungin Chongqingiin. Chongqing ei kuitenkaan ollut Kuomintangin, vaan rosvojoukkioiden ja mafian hallussa. Japani pommitti Chongqingia yli viiden vuoden ajan 1938–1943. Jäljelle jääneet joukot siirrettiin Wuhaniin, jota puolustettiin muun muassa Josif Stalinin yllättäen lähettämien 800 lentokoneen ja lentäjän avulla.