南京外围阵地被突破后，守军仓促撤退，日军乘势追击，以致复廓阵地尚未占领稳固，即被日军突破。
9日拂晓，日军第16师团进至麒麟门、苍波门一带；第9师团进至光华门外，占领大校场及通光营房。第114师团进至雨花台南；第6师团进至雨花台西，其一部占领大胜关。
守军第60军退至大水关、燕子矶整顿；第74军退守水西门内外。
日军一方面进行攻城准备，一方面用飞机向城内中国守军投撒日军司令官松井石根的最后通牒，进行劝降。劝降书狂称：
“百万日军已席卷江南，南京城处于包围之中……故本司令官代表日军奉劝贵军，当和平开放南京城，然后按以下办法处置。对本劝告的答复，当于12月10日正午交至中山路句容道上的步哨线。若贵军派遣代表司令官的责任者时，本司令官也准备派代表在该处与贵方签订，有关南京城接受问题的必要协定。如果在上述指定时间内得不到任何答复，日军不得已将开始对南京进攻！大日本陆军总司令官松井石根。”
唐生智对松井石根的最后通牒置之不理，并于当日下午下达作战命令：
（1）本军目下占领复廓阵地为固守南京之最后战斗，各部队应以与阵地共存亡之决心尽力固守，决不许轻弃寸土、动摇全军，若有不遵令擅自后移，定遵委座命令，按连坐法从严办理。
（2）各军所得船只，一律缴交运司令部保管，不准私自扣留，着派第78军军长宋希濂负责指挥。沿江宪警严禁部队散兵私自乘船渡江，违者即行拘捕严办。倘敢抗拒，以武力制止。”
9日上午，日军第9师团在炮火支援下，猛攻光华门外工兵学校的第87师第260旅及教导总队防守阵地，10时许攻占工兵学校。下午，坦克及炮火曾三次攻击城门，并有少数日军突入城内。卫戍司令部急调宪兵教导2团一部增援光华门，并令第87师反击。
第87师副师长陈颐鼎指挥第261旅一部和第259旅一部，分由通济门和天堂村向敌军侧背合击，激战数小时，多次肉搏，终将迫近光华门的日军击退，收复了工兵学校阵地。
但突入城内少数日军潜伏于光华门城门洞中。当晚，日军国崎支队占领当滁。
12月10日，日军见中**队拒绝投降，遂向雨花台、通济门、光华门、紫金山第三峰等阵地发起全面进攻。战况更为激烈。城东南复廓阵地丧失殆尽，日军直接进入城垣。
形势尤为严峻。卫戍司令部急令第83军第156师增援光华门、通济门城垣守备；并将第66军由大水关、燕子矶调入城内，部署于中山门及玄武门内构筑工事；另以刚由镇江撤入城内的第103师及第112师，由教导总队总队长桂永清指挥，负责中山门附近城垣及紫金山阵地守备。当夜，第156师选派小分队坠城而下，将潜伏城门洞中少数日军全部歼灭。
雨花台方面，日军两个师团主力和飞机大炮协同攻击，将第88师右翼一线阵地全部摧毁，残部退守二线阵地。当晚，日军第18师团占领芜湖。
12月11日，日军第16师团猛攻紫金山南北守军阵地。教导总队坚决抗击。激战终日，日军毫无进展。惟其右翼部队攻占了第2军团防守的杨坊山、银孔山阵地，进至尧化门附近。为协助第16师团进攻及切断守军东退之路，第13师团之第103旅团，从第16师团右翼参战，向乌龙山、幕府山炮台进攻。日军第6师团及第114师团主力继续攻击雨花台。
第88师二线阵地又被摧毁，被迫退守核心阵地。日军第114师团右翼部队开始攻击中华门，城门被炮火击毁。少数日军突入城内，但被第88师据守城垣部队歼灭。
日军第6师团左翼部队一部沿长江东岸北进，在上新河击退宪兵教导2团一个营，占领水西门外棉花堤阵地。国崎支队在当滁北慈湖附近渡过长江，沿西岸向浦口前进。第18师团由芜湖向杭州转移。