Trận Nam Kinh từ phim tài liệu The Battle of China của Frank Capra

Vào 1 giờ chiều ngày 10 tháng 12, tướng Matsui ra lệnh cho tất cả đơn vị mở cuộc tấn công tổng lực vào Nam Kinh.[61] Ngày hôm đó, Binh đoàn Viễn chinh Thượng Hải đột kích vào Lữ đoàn huấn luyện siêu tinh nhuệ của Trung Quốc trên dãy Tử Kim Sơn, nơi bao quát cả chân trời ở phía đông bắc Nam Kinh.[33] Khi trèo lên những sườn núi, lính của Binh đoàn viễn chinh phải vất vả giành quyền kiểm soát từng doanh trại một của Trung Quốc trong các cuộc đột kích đẫm máu của bộ binh. Tiến dọc theo sườn nam của Tử Kim Sơn cũng không mấy dễ dàng hơn vì tướng Matsui đã cấm quân mình sử dụng pháo ở đó. Ông có niềm tin sâu sắc rằng dù có chuyện gì xảy ra cũng không nên gây thiệt hại đối với hai di tích lịch sử nổi tiếng là lăng Tôn Trung Sơn và lăng Minh Hiếu.[63]

Cũng ở phía đông Nam Kinh nhưng xa hơn về phía nam, các đơn vị khác của Binh đoàn viễn chinh Thượng Hải phải đối mặt với nhiệm vụ khó khăn là lội qua con hào lớn giữa họ và 3 cổng thành: Cổng Trung Sơn, Cổng Quảng Hoa và Cổng Đồng Tế. Dù vậy, tốc độ tiến công sớm hơn kế hoạch của quân Nhật có lợi cho họ khi mà các đơn vị chủ chốt về phía Trung Quốc dự kiến triển khai tại đây vẫn chưa vào vị trí.[33][61][64] Tối hôm đó, công binh và pháo binh Nhật tiếp sát gần Cổng Quảng Hoa và cố gắng đục một lỗ thủng trên bức tường. Một tiểu đoàn của quân Nhật đã phát động cuộc tấn công táo bạo qua chỗ bị chọc thủng và cắm cờ lên một đoạn của cổng. Tuy nhiên, họ ngay lập tức bị cầm chân bởi một loạt những cuộc phản công quyết liệt từ phía Trung Quốc.[64] Quân Trung Quốc tăng cường quân tiếp viện, bao gồm cả xe tăng, đồng thời trút cả lựu đạn và thậm chí là gỗ cháy tẩm xăng lên tiểu đoàn Nhật Bản. Tiểu đoàn chỉ có thể được giải nguy khi những đội pháo binh tập trung từ phần còn lại của sư đoàn xả pháo kịp thời. Họ đã thành công trong việc giữ vị trí đến khi trận chiến kết thúc mặc dù mất đi 80 người trong tổng số 88 người.[64]

Cùng thời điểm đó, Quân đoàn 10 từ phía Nhật đang tấn công Vũ Hoa Đài, vùng cao nguyên hiểm trở tọa lạc ngay trước Cổng Trung Hoa ở phía nam Nam Kinh. Quân đoàn 10 tiến triển rất chậm và thương vong nặng nề vì Vũ Hoa Đài được xây dựng như một pháo đài với các lô cốt và rãnh liên kết với nhau do ba sư đoàn Trung Quốc trấn giữ, bao gồm cả sư đoàn 88 do Đức huấn luyện. Quân Trung Quốc có ý định phản công và một số đơn vị Nhật Bản buộc phải dành nhiều thời gian để phòng ngự hơn là tấn công.[65] Hầu hết binh lính mà Sư đoàn 88 triển khai đến Vũ Hoa Đài đều thiệt mạng khi chiến đấu, bao gồm 3 trong số 4 trung đoàn trưởng và 2 chỉ huy lữ đoàn. Dù vậy, quân Nhật cũng phải chịu 2.240 thương vong, trong đó có 566 người chết.[66] Vũ Hoa Đài cuối cùng cũng bị xâm chiếm vào trưa ngày 12 tháng 12.[67]

Lính Nhật băng qua con hào gần Cổng Trung Hoa

Phía sau Vũ Hoa Đài là nơi Sư đoàn 88 cho những tân binh chưa qua đào tạo bài bản đóng quân trên đỉnh Cổng Trung Hoa.[66] Vào đêm hôm trước, quân Nhật cố gắng đột nhập vào bằng cách cử một "biệt đội cảm tử" mang theo chất nổ axit picric đến trước cổng này nhằm đục một lỗ trong đó. Tuy nhiên kế hoạch này đã thất bại vào sương mù buổi sáng và họ không thể tiếp cận được bức tường.[68] Trưa ngày 12 tháng 12, một đội gồm 6 binh lính Nhật vượt qua con hào trên một chiếc thuyền nhỏ. Họ thành công trong việc trèo lên tường Cổng Trung Hoa bằng một chiếc thang tre không vững chãi và treo cờ Nhật Bản lên đó.[69] Năm người trong số họ thiệt mạng vì hỏa lực nhưng người sống sót cuối cùng vẫn kịp tước đoạt một khẩu súng máy từ quân Trung Quốc và giữ vị trí một mình. Ngay sau đó, một đội quân Nhật Bản khác đã đốt lửa trước cổng để tạo ra một màn khói.[69] Đến 5 giờ chiều, ngày càng nhiều quân Nhật vượt qua hào và tràn vào Cổng Trung Hoa. Họ xây những cây cầu tạm bợ, lung lay đến mức phải nhờ công binh dùng chính thân mình làm cầu cho họ đi lên. Cùng với sự trợ giúp từ hỏa lực của đơn vị pháo binh Nhật trên đỉnh Vũ Hoa Đài, từng phần của bức tường cuối cùng cũng vỡ vụn.[67] Trong khi đó, ngay phía tây Cổng Trung Hoa, những binh lính khác thuộc Quân đoàn 10 đã đục một lỗ xuyên qua phòng tuyến xây trên vùng ngập nước ở phía nam Cổng Thủy Tịch. Họ đồng thời tiến hành một cuộc tấn công dữ dội vào cổng với sự hỗ trợ của đội xe tăng.[67]

Khi trận chiến lên đến đỉnh điểm, Đường Sinh Trí phàn nàn với Tưởng rằng "thương vong bên phía chúng ta thường là rất nặng và chúng ta đang chiến đấu với xe bọc thép bằng xương bằng thịt".[70] Sự thiếu hụt về trang bị của quân Trung Quốc được bù đắp bằng tinh thần chiến đấu không khoan nhượng của họ. Điều này một phần cũng là do mệnh lệnh nghiêm ngặt rằng không một ai hoặc bất kỳ đơn vị nào được lùi bước mà không có sự cho phép.[59][71] Trong suốt trận chiến, khoảng 1.000 binh sĩ Trung Quốc bị bắn chết bởi chính đồng đội của họ vì có ý định rút lui.[72] Tại Vũ Hoa Đài, binh lính Nhật Bản nhận thấy rằng nhiều lô cốt bị xích lại từ bên ngoài để ngăn những người trấn giữ chạy trốn.[73]

Thế nhưng, quân Nhật vẫn chiếm thế thượng phong trước quân phòng thủ Trung Quốc đang bị dồn ép và bao vây.[67] Vào ngày 12 tháng 12, Binh đoàn Viễn chinh Thượng Hải chiếm được đỉnh số 2 của Tử Kim Sơn. Từ vị trí thuận lợi này, họ pháo kích liên tục vào Cổng Trung Sơn khiến phần lớn bức tường mau chóng đỗ vỡ.[67] Khi hoàng hôn buông xuống, lửa cháy ở Cổng Trung Sơn bùng lên dữ dội đến mức có thể nhìn thấy từ phía nam Cổng Trung Hoa, nơi mà Quân đoàn 10 chiếm đóng hoàn toàn vào đêm ngày 12 đến 13 tháng 12.[74][75]

Sự sụp đổ của Lực lượng Đồn trú Nam Kinh

Quân Nhật không hề hay biết gì về chuyện Tưởng đã ra lệnh cho Đường từ bỏ việc phòng thủ.[74] Mặc dù Tưởng từng nói từ trước là sẽ tử thủ ở Nam Kinh đến hơi thở cuối cùng nhưng vào ngày 11 tháng 12, ông phải đánh điện ra lệnh cho Đường rời khỏi thành phố.[76] Đường tính sửa soạn để rời đi vào ngày 12 tháng 12 thì lại bị thất kinh trước sự tấn công ác liệt của quân Nhật. Ông cuống cuồng dàn xếp vào phút chót để ký kết một lệnh ngừng bắn tạm thời với người Nhật thông qua công dân Đức John Rabe và Eduard Sperling.[76] Chỉ khi biết rõ rằng những cuộc đàm phán không thể hoàn tất trong một sớm một chiều, Đường mới quyết định vạch ra một kế hoạch kêu gọi tất cả đơn vị của mình cùng phối hợp phá vòng vây quân Nhật.[76] Họ định bắt đầu cuộc đột phá trong bóng tối vào lúc 11 giờ đêm hôm đó, sau đó tập trung tại An Huy. Ngay sau 5 giờ chiều ngày 12 tháng 12, Đường đã chuẩn bị xong kế hoạch này để truyền đi khắp tất cả đơn vị. Sau đó, ông vượt sông Trường Giang, đào thoát qua Phổ Khẩu ở bờ đối diện con sông sớm hơn 24 giờ trước khi thành phố bị Biệt đội Kunisaki bên phía Nhật Bản chiếm đóng.[76]

Tuy nhiên, vào thời điểm Đường thoát ra khỏi thành phố, toàn bộ Lực lượng Đồn trú Nam Kinh nhanh chóng tan rã với một số đơn vị bắt đầu rút chạy.[76][77] Bên cạnh đó cũng có nhiều đơn vị bị mất liên lạc nên không bao giờ nhận được thông điệp của Đường, họ tiếp tục giữ vị trí theo lệnh.[78] Có những đơn vị ngay cả khi nhận được thì họ vẫn khó lòng vượt qua phòng tuyến của quân Nhật.[79] Tập đoàn quân 66 và 83 bên phía Trung Quốc đã cố gắng tránh quân Nhật thông qua khoảng trống ở phía đông nhưng ngay lập tức lao vào bãi mìn của chính họ.[79] Sau đó, họ còn bị các đơn vị Nhật Bản tấn công và mất đi hai tham mưu trưởng của sư đoàn trong lúc giao tranh.[79] Mặc dù hai tập đoàn bắt đầu trận chiến với ít nhất 11.000 quân mạnh, nhưng chỉ có 600 người trong số họ là thoát khỏi Nam Kinh.[79][80] Gần rạng sáng ngày 13 tháng 12, một phần của Tập đoàn quân 74 cũng bị tiêu diệt trong nỗ lực phá vỡ phòng tuyến của quân Nhật dọc theo sông Trường Giang ở phía nam Nam Kinh.[79]

Gạch vụn nằm rải rác trên đường Trung Sơn của Nam Kinh

Một trong số ít những đơn vị đã xoay sở để thoát ra khỏi Nam Kinh là Quân đoàn 2 do Từ Nguyên Toàn chỉ huy đặt ở phía bắc Nam Kinh.[79] Mặc dù Từ không bao giờ nhận được lệnh bỏ buông phòng thủ của Đường nhưng vào đêm ngày 12 tháng 12, khi hay tin Nam Kinh bị chiếm thì quyết định tự rút lui theo ý mình. Trong đêm, ông sơ tán hầu hết đơn vị qua sông Trường Giang trước khi các đơn vị hải quân Nhật Bản phong tỏa dòng sông.[79]

Ngược lại, hàng nghìn binh lính và thường dân Trung Quốc từ phía nam Nam Kinh đều chạy loạn trước sự tiến công của Quân đoàn 10 trong cùng đêm. Tuy nhiên, đám đông lại bị quân rào chắn Trung Quốc bắn chặn, ngăn không cho đến bến cảng tại Hạ Quan, với lý do là rút chạy mà không có sự cho phép và bắt quay lại.[81][82] Vào lúc 9 giờ tối, có một đơn vị xe tăng Trung Quốc đang chạy trốn mà không nhận được tin từ biệt của Đường. Họ xông vào quân rào chắn và phá vỡ phong tỏa, chỉ để cho đám đông thấy rằng hầu như không còn bất kỳ chiếc thuyền nào tại cảng.[81] Đám đông tranh giành nhau để leo lên vài con tàu còn sót lại nhưng chúng nhanh chóng trở nên quá tải đến mức bị chìm giữa chừng.[79] Phần còn lại của binh lính Trung Quốc đã nhảy xuống vùng nước động và lạnh giá của sông Trường Giang để bám vào những khúc gỗ hoặc mảnh gỗ vụn mặc dù tất cả đều nhanh chóng bị con sông nhấn chìm.[81] Hơn nữa, vào thời điểm này, quân Nhật gần như bao vây hết Nam Kinh và nhiều người cố gắng vượt qua sông Trường Giang đều sớm nhận ra mình đang bị nhắm bắn từ cả hai bên bờ.[83] Những ai nhìn thấy điều này đều tiu nghỉu quay về thành phố.[81]

Các tướng lĩnh quân đội Nhật Bản Hasegawa Kiyoshi, Matsui Iwane, Hoàng tử Asaka Yasuhiko và Yanagawa Heisuke tại Lễ tưởng niệm những người chết vì chiến tranh tại Phi trường Nam Kinh vào ngày 13 tháng 12 năm 1937

Nhiều người trong số hàng chục nghìn binh sĩ Trung Quốc không thể trốn thoát khỏi thành phố phản ứng bằng cách cởi bỏ quân phục và vũ khí, đánh cắp quần áo từ người đi đường để có thường phục. Sau đó, họ liều lĩnh tìm kiếm nơi trú ẩn trong Khu an toàn Nam Kinh bằng cách hòa lẫn vào dân thường.[79] Phóng viên Mỹ F. Tillman Durdin "chứng kiến việc một đội quân cởi đồ hàng loạt thật sự khá khôi hài".[78]

Vũ khí bị vứt bỏ cùng với đồng phục, và đường phố trở nên bao phủ bởi súng, lựu đạn, gươm, ba lô, áo khoác, giày và nón bảo hiểm... Phía trước Bộ Truyền thông và xa hơn hai dãy nhà là xe tải, xe pháo, xe buýt, xe nhân viên, xe ngựa, súng máy và vũ khí nhỏ chất thành đống như thể đang trong một bãi phế liệu.

— F. Tillman Durdin, [56]