1937年8月15日,侵华日军首次对南京实施无差别轰炸,持续近四个月。日军九六式攻击机在台风天气中强行起飞,轰炸南京军事设施及非军事目标,造成大量平民伤亡。中央医院、自来水厂等民用设施被毁,吴秀兰等幸存者因轰炸致残,英国驻华大使许克森亦遭扫射重伤,暴露日军暴行的国际性。
中国空军展开顽强空战,抗战王牌飞行员乐以琴以一人一机击落六架敌机,成为首位王牌飞行员。12月3日,日军再次空袭南京,董明德等飞行员在战机全毁前拼死迎敌,最终全体牺牲。南京空战中,20余位空军官兵以身殉国,乐以琴事迹被编入教材,2014年列入抗日英烈名录。
陆路防御方面,中国军队依托江南四线防御体系阻击日军。江阴要塞防御阻击战持续五天,夏明安率敢死队炸毁日军坦克,击毙近两千敌军。无锡至江阴的无福线、西城线阵地中,第九十八师以血肉之躯抵挡日军重炮与毒气攻击,延缓日军西进步伐。
12月,日军兵临南京城下,光华门保卫战与雨花台阵地阻击战成为焦点。第八十七师旅长易安华带伤死守光华门,教导总队以火攻歼灭城门洞内日军;雨花台阵地中,朱赤、高志松率部多次击退日军冲锋,小山东等战士以自爆方式炸毁坦克。12月12日阵地失守,次日中华门沦陷,南京保卫战以中国守军牺牲1.9万余人告终。
国民政府内部对守卫南京存在分歧,最终决定短期固守。唐生智率十余万部队依托紫金山、明城墙等复国防线抵抗,但因新兵比例过高、装备悬殊,未能实现预期防御目标。此战虽败,却展现了中国军民宁死不屈的抗战精神,为南京大屠杀前的最后抵抗留下悲壮印记。