12月9日，松井石根命令日军用飞机空投下所谓的“最后通牒”，声称日军现已包围南京，大战即将开始，若中国军队必欲抗战，则“南京必难免于战祸，致使千载文化尽为灰烬，十年经营终成泡影”，而且“一切战争之恐怖将尽现于南京”，“限10日中午前将复函交付句容公路上的日方哨兵，如逾期不复，则即刻向南京展开进攻”。
此前，日军上海派遣军司令朝香宫鸠彦已亲笔签署了“杀掉全部俘虏”的绝密命令。而且，12月7日，松井石根下达了亲自起草的《攻占南京要略》，命第十军和上海派遣军合力围攻南京，并通告日军各师团，进城后分区“扫荡”。
10日下午，日军在飞机、大炮掩护下，以坦克为先导，向南京城发动总攻。爱国官兵在唐生智司令的指挥下，同仇敌忾，与疯狂进攻的日本侵略军进行殊死斗争。
松井石根派生性凶暴、素有“亚述魔王”称号的谷寿夫所率第六师团担负主攻。南京城三面被围，雨花台阵地失守，中华门失陷，又失紫金山，南京城陷落在即。唐生智在这种情况下，11日急电蒋介石请示战守之策。蒋介石于12月12日回电：“如情况不能久持时，可相机撤退，以图整理，而期反攻。”
12日，从拂晓起，日军以飞机、大炮密集地向各城门轰炸，坚固的城墙被炸得石块乱飞，四周房屋倒塌，城墙洞开，城里的士兵可以看见城外的敌人。
12日下午4时许，唐生智匆忙召开了一个师长以上将领会议，最后下达撤退命令。接到命令，与会将领都沉浸在深深的悲愤之中。唐生智最后坚定地对各位将领说：“战争不是在今日结束，而是在明日继续；战争不是在南京卫戍战中结束，而是在南京以外的地区无限的延展，请大家记住今日的耻辱，为今日的仇恨报复!”
12日傍晚，寒冬天色一片昏暗，冷风凄切，挹江下关码头一带匆忙撤退的军队和老百姓互相拥挤，十里江岸一片人潮汹涌，数万人争相夺路，前仆后继，死者不知其数，惨状目不忍睹。13日，日军到达下关江面，守卫南京的十几万大军，除战死以外，只有万余人渡江西撤，其余的都被日军捕杀。午后4时，南京城陷落。
日军在进入市区时，根本未遭遇到任何抵抗。但根据松井石根“发扬日本武威慑服中国”的命令，凶残的日军如同疯狂的野兽，在南京制造了一起举世震惊、惨绝人寰的屠城血案。12月13日，日军谷寿夫师团攻占南京城中华门后，立即开始强占机关、公司、仓库、银行，血洗在中山路和中央路避难的难民群。随同日军进城的东京《朝日新闻》随军记者铃木二郎目击了暴虐的屠杀：“从光华门北上，走向中山东路，在光华门马路西边，看到接连不断的散兵壕，填满了烧得焦烂的尸体，马路中间横倒的许多木柱子下面，压着的都是尸体，四肢断折飞散，不啻是一幅地狱图画。我还看到战车毫不留情地在尸体上碾过，听到履带碾过的声音，闻到尸臭和硝烟气味，感到简直坠入了刀山、油锅、血污池的十八层地狱。”
“12月13日在中山门附近城墙，见到极其恐怖、凄惨的大屠杀。俘虏们在25公尺高的城墙上排成一列，许多日本兵端着插上刺刀的步枪，齐声大吼，向俘虏们的前胸或腰部刺去，俘虏们一个接着一个被刺落到城外去了。只见飞溅的血喷向半空，阴森的气氛使人汗毛直竖、浑身战栗。”12月14日，大批日军“如潮水般涌进”南京城，开始了在南京城内的残暴大屠杀，“完全像一群放纵的野兽似的污辱、蹂躏这个城市”。
12月15日夜，日军先后押解九千多难民和俘虏官兵到鱼雷营江边屠杀，先用机枪密集射杀，然后浇上煤油将死者与伤者一起焚烧。其中难民殷有余倒卧在血泊中，才幸免于难。
12月16日，日军把躲避在华侨招待所的难民五千余人，押往中山码头，双手反绑，排列成行，用机枪扫射后，将尸体推入江中，毁尸灭迹。夜里，日军又将从难民区各户和难民收容所搜得的万余青年，绑至下关煤炭港，用机枪残杀，然后弃尸江中。
12月18日夜，日军又将被围困在幕府山的难民5.74万余人，无论男女老幼全部用铁丝捆绑起来，驱赶到下关草鞋峡，用机枪密集扫射，“各种枪支扫射的巨响和俘虏群众中传来的垂死呼号混在一起。扫射持续了一个小时”，又用刺刀杀戮受伤后未死尚在呻吟者，然后将所有尸体浇上煤油焚化，残余的骸骨则被投入江中。
日军除了进行疯狂的集体屠杀之外，还惨无人道地大肆进行残酷无比的虐杀。他们以杀人为游戏取乐，方法无奇不有，残酷绝伦，有枪杀、刺杀、烧死、刀劈、活埋、砍头、溺死(在水里或粪池中)、切腹、挖心、分尸、用锥子锥死、装入麻袋摔死、用军犬咬死、剖腹取胎、割生殖器、先奸后杀等等，其野蛮残忍之至，比之德国法西斯把被害者送入毒气室，有过之而无不及，在人类文明史上所罕见，是“现代战史上破天荒之残暴记录”。
这些惨无人道的屠杀，既有集体大屠杀并毁尸灭迹的，也有日军士兵三五成群，分散屠杀的。据统计，日军集体大屠杀并毁尸灭迹共28案，被害人数达19.5万余人。日军一次次的集体大屠杀，造成尸堆如山、血流成河的惨景。
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