ยุทธการที่นานกิง เริ่มหลังจากยุทธการเซี่ยงไฮ้เมื่อวันที่ 9 ตุลาคม ค.ศ. 1937 และสิ้นสุดลงในเดือนธันวาคม 1937 ถึงกองกำลังญี่ปุ่นไม่กี่วันหลังจากที่รัฐบาลสาธารณรัฐประชาชนจีนได้ย้ายเมืองหลวงไปยังอู่ฮั่น การสังหารหมู่ที่นานกิงเกิดขึ้นหลังจากญี่ปุ่นยึดเมืองดังกล่าวได้สำเร็จ
กองทัพญี่ปุ่นกรีฑาทัพเข้าสู่เมืองนานกิง เมืองหลวงของสาธารณรัฐจีนหลังจากที่ยึดเมืองเซี่ยงไฮ้ที่อยู่ริมชายฝั่ง ทหารจีนไม่สามารถรักษาแนวตั้งรับทิศตะวันออกของเมืองได้ เมืองคุนชานในมณฑลเจียงสูก็ถูกยึดภายในสองวัน แนวป้องกันวูฟูแตกในวันที่ 19 พฤศจิกายนและแนวป้องกันซีเฉิงแตกในวันที่ 26 พฤศจิกายน ในบรรดาผู้นำของจีนแนวป้องกันสองแห่งถือเป็นจุดยุทธศาสตร์สำคัญในการป้องกันนานกิง นายพลอาวุโสหลี่ซงเหรินคิดว่าการวางกำลังที่นานกิงจะทำให้เกิดการสูญเสียเปล่าๆ เขาจึงประกาศเปิดเมืองขณะเดียวกันทหารก็ได้รับคำสั่งทำลายทุกสิ่งที่ญี่ปุ่นสามารถใช้ได้หลังจากที่เมืองถูกยึด นายพลอาวุโสไป่ชงซีและที่ปรึกษาพลโทอเล็กซานเดอร์ วอน ไฟล์คเฮาส์เซนจากกองทัพเยอรมนีสนับสนุนแผนของนายพลลี่ แต่จอมพลเจียงไคเช็กคัดค้านอ้างว่าไม่มีความพยายามรักษาต้นทุนทางการเมืองซึ่งจะมีผลกระทบรุนแรงต่อขวัญกำลังใจของทหารและชื่อเสียงของจีนในนานาชาติ จอมพลเจียงกล่าวอีกว่า"ผมเองสนับสนุนให้ปกป้องนานกิงจนตัวตาย" เจียงได้ออกคำสั่งให้ทหารสู้เพื่อรักษาเมืองจนคนสุดท้ายและได้วางกำลังของพลเอกอาวุโสถังเฉิงจื้อรักษาเมือง 100,000 นาย นายพลถังรู้ดีว่ากองกำลังของเขาเป็นทหารเกณฑ์ที่ไม่ได้รับการฝึกฝนแต่อย่างใดและยังไม่มีความเชื่อมั่นในหน้าที่แต่เขาก็ทำให้เหมือนว่ากองทหารดูแข็งแกร่งต่อหน้าประชาชน อีกทั้งยังมีการก่อเสริมแนวป้องกันกำแพงเมืองโบราณของเมืองนานกิงให้เข้มแข็งขึ้น ในการแถลงข่าววันที่ 27 พฤศจิกายน เขาประกาศว่าทหารของเขาจะตั้งรับกับการโจมตีของญี่ปุ่นแต่ขอให้ชาวตะวันตกในเมืองอพยพออกไปขณะเดียวกันเขายังสั่งทำลายอาคารถางป่าระยะทาง 1 ไมล์จากปริมณฑลของเมืองเพื่อให้กองทัพญี่ปุ่นไม่มีที่กำบังแต่กลับกลายเป็นพิสูจน์ว่าเป็นคำสั่งที่พลาดเพราะทำให้มีปริมาณผู้อพยพลี้ภัยเข้ามาในเมืองมากมายและกำแพงไหม้ไฟที่เกิดจากการเผาทำลายบ้านลวกๆก็เป็นที่กำบังให้ทหารญี่ปุ่นได้อยู่ดี แต่เบื้องหลังนายพลถังกำลังหาวิธีอื่นเพื่อปกป้องเมืองจากญี่ปุ่นโดยให้ชาวตะวันตกในนานกิงเกลี้ยกล่อมจอมพลเจียงให้เขาประกาศเปิดเมืองและเจรจาพักรบกับญี่ปุ่นแต่ก็ล้มเหลว
ในวันที่ 1 ธันวาคม รัฐบาลจีนย้ายออกจากนานกิง ตั้งฉงชิ่งเป็นเมืองหลวงชั่วคราวเป็นเวลาหลายวัน แต่จอมพลเจียงไคเช็กและครอบครัวยังไม่ได้ออกมาจากนานกิงจนกระทั่งวันที่ 7 ธันวาคม ขณะที่ทหารวางกำลังเตรียมการตั้งรับ ฝ่ายพลเรือนก็ถูกปล่อยให้คณะกรรมการนานาชาติโดยมียอน ราเบอ นักธุรกิจชาวเยอรมันเป็นประธาน เมื่อรัฐบาลจีนออกไป ทหารทำลายอาคารและโครงสร้างพื้นฐานภายในเมืองอย่างต่อเนื่องเช่นเดียวกับที่ทำลายนอกกำแพงเมืองเมื่อวันก่อน แต่นโยบายทำลายเมืองสร้างความสูญเสียประมาณระหว่าง 20,000,000 ถึง 30,000,000 ดอลลาร์สหรัฐตั้งแต่ระหว่างเหตุการณ์เซี่ยงไฮ้แตกจนเริ่มยุทธการนานกิง หลังจากที่เจ้าหน้าที่รัฐออกไปจากเมือง ประชาชนก็อพยพออกจากเมืองสร้างความตื่นตระหนกไปทั่ว นายพลถังเฉิงจื้อปิดเส้นทางออกทุกเส้นเพื่อควบคุมความตื่นตระหนกของประชาชนจนไปถึงเผาเรือบนแม่น้ำแยงซีเกียงเพื่อป้องกันไม่ให้ออกจากพื้นที่โดยไม่ได้รับอนุญาต
กองทัพญี่ปุ่นกรีฑาทัพมาถึงชานเมืองนานกิงในช่วงต้นเดือนธันวาคม พลเอกอาวุโสถังเฉิงจื้อทราบดีว่าทหารในแนวตั้งรับไม่ได้รับการฝึกฝนและเสียขวัญกำลังใจซึ่งอาจนำไปสู่การทิ้งฐานที่มั่นโดยไม่มีโอกาสชนะ จอมพลเจียงออกคำสั่งยืนยันกับนายพลถังว่าขณะนี้เขาทราบดีว่าไม่สามารถเอาชนะได้ก็ให้ดำเนินการตั้งรับให้สุดความสามารถ ในวันที่ 7 ธันวาคมกองทัพญี่ปุ่นประกาศต่อทหารว่าหากทหารนายใดกระทำการผิดต่อกฎหมายและเสื่อมเสียต่อชื่อเสียงของกองทัพองค์จักรพรรดิในระหว่างการเข้าตีนานกิงจะได้รับโทษหนัก ทหารญี่ปุ่นประชิดกำแพงเมืองนานกิงในเช้าวันที่ 9 ธันวาคมและประกาศให้ทหารจีนหลังกำแพงยอมแพ้ภายใน 24 ชัวโมง แต่ไม่มีผู้แทนของฝั่งจีนปรากฏตัวเจรจา เวลา 13.00 น. พลเอกมัตสึอิ อิวาเนะและพลโทเจ้าฟ้าอากาสะ ยาสุฮิโกะสรุปว่าจีนไม่ให้ความสนใจเจรจาจึงออกคำสั่งบุกโจมตี
กรมทหารราบที่ 36 กองพลที่ 9 แห่งกองทัพญี่ปุ่นโจมตีประตูกวนฮวาอย่างหนักซึ่งเป็นที่มั่นของทหารจีนที่ไร้ประสบการณ์ในเวลา 14.00 น. ในช่วงบ่ายกำลังทหารจีนที่ประตูกวนฮวาเพิ่มขึ้นเป็น 1,000 นาย ป้อมปืนกลคอนกรีต รถถังเล็ก และปริมาณการยิงทำให้ทหารญี่ปุ่นบาดเจ็บล้มตายเป็นจำนวนมากแต่อานุภาพการทำลายล้างที่เหนือกว่าของญี่ปุ่นทำให้ทหารจีนต้องล่าถอยไป ในเวลากลางคืนทหารญี่ปุ่นใช้ปืนใหญ่ภูเขาทำลายส่วนหนึ่งของประตูทหารญี่ปุ่นบุกเข้าไปและจัดการกับทหารจีนที่ตั้งรับ นายพลถังทราบดีว่าขวัญกำลังใจของทหารต่ำจึงเรียกรวมผู้บัญชาการภายในกองพลที่กองบัญชาการ ที่ประชุมมีมติเป็นเอกฉันท์ว่าไม่สามารถชนะได้ นายพลถังไม่ยอมรับผิดชอบแต่เพียงผู้เดียวหากพ่ายแพ้ในการรบจึงให้ผู้ร่วมประชุมทุกคนลงนามเอกสารจากจอมพลเจียงไคเช็กว่าด้วยไม่ยอมล่าถอยนอกจากจำเป็นจริงๆจึงได้รับการอนุญาต ในวันที่ 12 ธันวาคมนายพลถังตัดสินใจหนีออกจากเมือง ในเวลานี้ประตูยี่เจียงเป็นประตูเดียวที่อยู่ในการควบคุมของจีน เขาออกจากเมืองโดยไม่ประกาศยอมจำนนอย่างเป็นทางการต่อญี่ปุ่นทำให้เกิดความไม่แน่ใจที่ทำให้ทหารหนีทัพ ทหารหลายนายพบว่าผู้บังคับบัญชาหายไปแล้วและเริ่มหนีทัพไปทั่วรอบทิศทาง แฟรงค์ ทิลแมนนักข่าวชาวอเมริกันจากนิวยอร์กไทมส์และ อาชิบอลด์ สตีลย์จากชิคาโกเดลีรายงานว่าทหารจีนปล้นสะดมร้านค้า ขณะที่ทหารคนอื่นทิ้งเครื่องแบบและอาวุธแฝงตัวเข้าไปในฝูงชน การหนีทัพของทหารจีนยุติลงเมื่อทหารจากกองพลที่ 36 ของสาธารณรัฐจีนที่ประตูยี่เจียงยังคงปฏิบัติตามคำสั่งป้องกันการหนีทัพ(นายพลถังไม่ได้ถอนคำสั่งก่อนออกจากเมือง)เผชิญหน้ากับทหารที่พยายามปีนประตูหนี ทหารจีนนับพันคนแออัดในประตูยี่เจียงบังคับให้เปิดทาง กองพลที่ 36 จึงเปิดฉากยิงทหารหนีทัพ บางคนก็เริ่มหวาดกลัวมากขึ้นและบางคนก็ถูกเหยียบตาย
ในเวลา 13.27 น.ของวันที่ 12 ธันวาคม USS Panay เรือรบอเมริกันและเรือบรรทุกน้ำมันสามลำเหนือแม่น้ำแยงซีเกียงจากนานกิง ถึงแม้ว่ายูเอสเอส พาเนย์จะชักธงอเมริกาขึ้นสู่ยอดเสาแต่ถูกเครื่องบินทิ้งระเบิด B4Y 96 สามลำและเครื่องบินประจัญบาน A4N 95 เก้าลำโจมตี เรือยูเอสเอส พาเนย์จมลงในเวลา 15.54 น.และมีผู้เสียชีวิต 3 ศพ ถือเป็นเรือรบอเมริกาลำแรกที่จมในสงครามโลกครั้งที่ 2 กรณีพาเนย์ทำให้ความสัมพันธ์อเมริกาและญี่ปุ่นตึงเครียด ในที่สุดกรณีพิพาทก็จบลงอย่างเป็นทางการในวันที่ 24 ธันวาคม 1937 เมื่อรัฐบาลญี่ปุ่นขอโทษและชดใช้ค่าเสียหายเป็นเงิน 2,000,000 ดอลลาร์สหรัฐโดยกล่าวว่าเป็นผลจากการะบุเป้าหมายผิดพลาด
ในเวลา 03.00 น.ของวันที่ 12 ธันวาคม นายพลถังเฉิงจื้อประชุมกับนายทหารเสนาธิการและออกคำสั่งให้ทหารกองเล็กอพยพข้ามแม่น้ำแยงซีและทหารที่เหลืออยู่โจมตีญี่ปุ่นทางทิศใต้ เขาพบกับนายทหารเสนาธิการอีกครั้งในเวลา 17.00 น. แต่สถานการณ์อันเลวร้ายเปลี่ยนความคิดของเขา เขาออกคำสั่งเพิ่มขนาดกองทหารที่ข้ามแม่น้ำเป็นห้ากองพล ในเวลา 18.00 น.การอพยพเต็มไปด้วยความวุ่นวาย ทหารนับพันและผู้ลี้ภัยแออัดกันที่เส้นทางสู่ท่าเรือ การเดินทางช้าลงเป็นเพราะอุปกรณ์ของทหารและรถเข็นประชาชนถูกทิ้ง มีผู้ถูกเหยียบตายนับกว่าร้อยคนขณะที่ปืนลั่นก็คร่าชีวิตคนซ้ำเข้าไปอีก นายพลถังได้รับคำสั่งจากประธานาธิบดีเจียงไคเช็กให้ออกจากเมือง เขาขึ้นรถของทหารเสนาธิการไปยังท่าเรือในเวลา 21.00 น. และโดยสารเรือไอน้ำพลังงานถ่านหินและข้ามไปยังอีกฝั่งแม่น้ำอย่างปลอดภัย
เช้าวันที่ 13 ธันวาคม ทหารญี่ปุ่นจากกองพลที่ 6 และกองพลที่ 114 ของญี่ปุ่นบุกเข้าเมือง สมทพกองพลที่ 9(ทางประตูจงฮวา) และกองพลที่ 16(ทางประตูซงชานและประตูไท่ผิง)ของญี่ปุ่น สี่กองพลรวมกันแล้วมีทหารประมาณ 50,000 นาย บ่ายวันนั้นกองเรือแม่น้ำญี่ปุ่นมาถึงท่าเรือนานกิง เวลาพลบค่ำญี่ปุ่นประกาศชัยชนะในยุทธการนี้
