为了守卫南京，中国统帅部的第三期作战计划规定：京沪线方面，以最小限之兵力，利用既设工事，节节抵抗，同时抽调兵力，以一部转入沪杭线，抵御向太湖南岸进军的日军，一部增强南京防御能力。计划称，在后续援军到达时，将以皖南的广德为中心，与敌决战，在钱塘江附近歼灭日军。当时，中国军队已退至第一道国防线——吴福线，但是，这道被誉为“中国兴登堡防线”的国防工程却“无图可按，无钥开门，无人指示”。19日，日军进占苏州。俗话云：“兵败如山倒”，吴福线不守，中国军队主力继续向锡澄线及太湖西南的安吉（浙江）、宁国（安徽）等地溃退，蒋介石原来以为“有良好地形，坚固阵地，可资扼守”的锡澄线同样没有发挥作用。11月20日，蒋介石调集第二十三集团军川军刘湘部五个师、两个独立旅，由四川赶到皖南广德、浙西北的泗安、长兴一线。不过，川军作战能力很低，纪律很坏，“闻敌即走”，并未发挥多大作用。11月23日，蒋介石到常州，召集前方将领训话，局势也并无改变。11月25日，无锡失守。26日，位于太湖南岸的吴兴失陷。蒋介石得悉锡澄线守军撤退秩序不良，日记云：“不分步骤，全线尽撤，亦未得呈报，痛心盍极！”29日，日军侵占宜兴。30日，日军攻陷广德，从东南、西南两个方面对南京形成包围之势。12月1日，江防要塞江阴失守。同日，日方下达“华中方面军司令官应与海军联合进攻中国首都南京”的皇命，日军分三路进攻南京。
蒋介石反对与日本议和，但不反对国际调停。早在日军金山卫登陆之际，德国大使陶德曼即受日方委托，向蒋转达日方媾和条件，“防共协定为主”，蒋介石“严词拒绝之”。11月24日，蒋介石曾经寄以希望的《九国公约》会议闭会，没有取得任何积极性成果。12月2日，蒋介石为行“缓兵计”，再次会见陶德曼，表示愿以日方所提条件为谈判基础，但要求先停战后谈判。6日，蒋介石得悉句容危急，决定离开南京，他在日记“雪耻”条下写道：“十年生聚，十年教训。三年组织，三年准备。”7日，蒋介石飞离南京。日记云：“人民受战祸之痛苦，使之流离失所，生死莫卜，而军队又不肯稍加体恤爱护，惨目伤心，无逾于此。”又写道：“对倭政策，惟有抗战到底，此外并无其他办法。”到庐山后，蒋介石即研究、制订全国总动员计划，准备在“全国被敌占领”的最坏情况下仍然坚持奋斗。他勉励自己：“宁为战败而亡，毋为降敌而存。”
南京的防御工事分“外围阵地”与以城墙为主要依托的“复廓阵地”两种。12月5日，日军进攻“外围阵地”。8日，汤山失守，唐生智下令中国军队进入“复廓阵地”。9日，日军逼近南京城墙，两军在光华门、雨花台、紫金山、中山门等处激战，光华门几度被突破。松井石根限令唐生智在10日午前交出南京城，遭到唐的坚决拒绝。12月11日，松井石根下令总攻。
