Under kaoset og blodsutgydelsene forut for japanernes okkupasjon av Nanjing ble Wilson en av de få utenlandske leger som ikke reiste eller lot seg evakuere høsten 1937. Under Nanjingmassakren var han den eneste kirurgen for de ofre som ble bragt til behandling. Sammen med John Rabe, Minnie Vautrin og andre bar han med på å organisere Sikkerhetssonen i Nanjing, som ga vern til mellom 200 000 og 250 000 kinesere innenfor et område på 2 x2 kvadratkilometer. I disse ukene reddet dr. Wilson og hans medarbeidere mange liv som ellers ville ha blitt drept av japanske soldater som var ute på ville voldtekts- og drapstokter.