淞沪会战期间，日军投入28万人、10个师的兵力，动用30多艘军舰、500多架飞机、300多辆坦克。中国守军共30万人、70多个师，装备40艘舰艇、250架飞机。中国官兵以劣势装备与日军殊死拚搏，毙伤日军４万多人。
上海陷落后，近在咫尺的首都南京直接处于日军的威胁之下。蒋介石紧急召集各路将领商讨保卫南京的问题。因为上海和南京之间一路都是平原，无险可守，大部分将领都主张放弃南京。只有唐生智站出来激昂地说："南京不仅是我国的首都，而且是国父之陵所在地。如果没有人愿意守卫南京，我愿意与南京共存亡。"唐生智本是湖南军阀，过去曾两次参加倒蒋运动，当时在国民政府中仅是一个备受冷落的训练总监部总监。唐生智的爱国发言和决心，令举座无言。蒋介石当即任命唐生智为南京城防司令，负责南京保卫战。
11月16日，蒋介石决定迁都重庆，给唐生智留下10多万人坚守南京。留守南京的将士几乎都是从淞沪战场上败退下来的，伤亡过半，疲惫不堪；临时补充的新兵都是从农村临时召集或强行抓来的壮丁，完全没有受过军事训练，谈不上有什么战斗力。
12月8日，来势凶猛的20多万日军攻陷淳化镇和镇江炮台后，向南京城发起攻击。12月10日，日军攻陷芜湖，切断了中国守军的退路。12月12日傍晚，小股日军攻进了雨花台、中华门阵地。
当晚７点，唐生智突然发出撤退命令，自己背弃了与南京共存亡的誓言，并于晚８点乘坐为他保留的最后一条小汽艇北渡长江逃走。唐生智的带头出逃引起了南京守军的哗然，部队顿时发生总崩溃，完全失去了组织，官兵们开始各自设法逃命。开战之前，唐生智为了表示破釜沉舟的必死决心，已经把长江上的渡船全部销毁，断绝了南京守军的退路。此时，部队毫无计划地撤退，造成极度混乱。有些部队长官自己急着逃命，连突围命令都没有传达下去。
更糟糕的是，唐生智逃走之前并没有解除不准任何人出城逃跑的命令，所以守卫挹江门的36师开枪阻止试图出城逃跑的守军，中国军队双方发生交火，最后城内的守军动用准备进行街巷战的坦克，击破挹江门出城，随后逃兵和难民乘势冲出城外。大量军民蜂拥到下关后，却根本没有渡江的船只，很多人就抓一块木板、一条树枝试图游水渡过近２公里宽的长江。12月的江水已经十分寒冷，很多军民溺死在江中。
12月13日清早，日军吃惊地发现曾顽强抵抗的中国军队忽然全部退走，日军轻易冲入南京城内。下午2点左右，日军的先头部队到达挹江门，发现挹江门外有成千上万的逃兵和难民挤杂在一起试图渡江，于是日军向逃兵和难民们开火，造成血染长江的大惨案。
南京陷落后，从12月13日到1938年2月上旬的6周里，日军实施了惨绝人寰的南京大屠杀，残杀中国军民34万之众。其中集体屠杀28起19万多人。例如，12月间，日军在草鞋峡集体屠杀被俘军人5.7万多人，在鱼雷营、宝塔桥集体屠杀市民3万多人，在燕子矶江滩集体屠杀被俘军民5万多人，在上新河集体屠杀被俘军民28700多人；零星屠杀有据可查的达858起，残杀15万多人。
日军还肆无忌惮地强奸、集体轮奸中国妇女。战后远东国际军事法庭的判决书中确认：南京"全城无论是少女或是老年妇女，多数都被奸污了。在这类强奸的事例中还有许多属于变态的淫虐狂行径。许多妇女被强奸后又被杀，她们的躯体还被斩断。南京被占领后的一个月内，发生了2万起左右的强奸事件。"
攻占中国首都南京之后，日军认为中国军队不堪一击，见猎心喜，想一鼓气赶尽杀绝，彻底歼灭中国军队。随即分兵北上，企图与沿津浦路南下的日军夹击徐州，打通南北战场。
此时，山东就成为抵御和分割日军的重要战场。驻守山东的是中国第3集团军总司令兼山东省主席韩复榘，麾下正规军5个师、1个手枪旅、1个重炮旅、2个山炮团、1个重追击炮团，加上由正规军改编的保安队，共约10万兵力。另外，第51军和青岛守备队也受其指挥。同时还拥有黄河天险、泰山、沂山、蒙山等天然屏障。但是，韩复榘畏敌如虎，竟然一枪不放就放弃济南，逃之夭夭。结果，日军垂手而得大半个山东，12月23日进占济南，直逼徐州。
