1937年12月13日，日軍攻佔南京，開始了為期數週的燒殺搶掠。時至今日，中日兩國學者對於這段歷史的敍述仍未完全達成共識，關於南京大屠殺遇難人數的分歧即是一例。《中日共同歷史研究報告(近代史卷)》的序言中這樣説明雙方學者間的差異：“中方學者重視近代中日兩國之間發生一系列問題的原因與本質，日方學者傾向於探究問題發生的過程。當然，在長時間的共同研究中，雙方學者對於上述差異也達成了一定的相互理解：日方學者理解了中方學者高度關注侵略戰爭對中國產生巨大傷害的原因，而且注意到儘管如此並沒有使他們的學術研究流於情緒化；中方學者肯定日方學者實證研究的成果，也注意到日方學者並未因此否定加害的責任。”
中方報告：“南京大屠殺”
作者：榮維木
日軍佔領上海後，繼續向西推進，威脅國民政府首都南京。11月20日，國民政府宣佈遷都重慶，堅持抗戰。26日，國民政府任命唐生智為南京衞戍司令長官，下轄13個建制師又15個團共15萬餘人，負責保衞南京。12月1日，日本大本營正式下達“大陸命第8號”命令，命“華中方面軍司令官與海軍協同，攻佔敵國首都南京”。3日，日軍上海派遣軍和第十軍計10萬餘兵力，在飛機、坦克和海軍兵艦的配合下，兵分三路實施圍攻南京的作戰計劃。中國守軍進行了英勇抵抗，12日，在日軍強大炮火的攻擊下被迫實施突圍。13日，南京淪陷。
在日本海軍封鎖長江南京江面後，中國守軍大都未能突圍而被俘。由於日軍後勤準備不足，且因俘虜眾多而擔心帶來安全問題，一些部隊於是“基本上不實行俘虜政策”，大量中國軍人被俘後均遭日軍集體屠殺。第十六師團中島今朝吾師團長在12月13日的日記中説：“事後得知，僅佐佐木部隊就處理掉約15000人，守備太平門的一名中隊長處理了約1300人。在仙鶴門附近集結的約有七八千人。此外，還有人不斷地前來投降……處理上述七八千人，需要有一個大壕，但很難找到。預定將其分成一兩百人的小隊，領到適當的地方加以處理。”在攻佔南京之後，日軍仍然不斷地集中屠殺俘虜，第十三師團的山田支隊在日軍舉行入城式的前一天，在長江沿岸的幕府山腳下分批屠殺了約2萬人。從現已發現的日軍南京戰鬥詳報來看，其戰果中大都列有具體的殲滅人數，但很少提及俘虜人數。在南京戰役過程中，日軍自上而下執行屠殺俘虜的政策無疑十分徹底。
南京大屠殺遇難同胞紀念館
由於無路可退，部分中國守軍官兵脱下軍裝、扔掉武器，避入南京難民區。為了搜捕“敗殘兵”，日軍僅僅根據男子的相貌來隨意判斷，因此，許多平民被誤作軍人而遭處置。僅12月24日，在金陵大學難民所的網球場上，一天就有二三百人被日軍帶到五台山和漢西門外遭到屠殺。
同城區相比，日軍在南京近郊廣大農村地區屠殺平民的暴行也十分猖獗。據1938年3~4月金陵大學社會學系斯邁思(Lewis S. C. Smythe，原譯史密斯)教授在江寧、句容、溧水、江浦和六合部分地區進行的抽樣調查表明，因日軍屠殺而死亡者總數為30950人，居民平均每1000人中死亡29人，每7户中就有1人被殺。在年齡結構上，15~59歲之間者佔死亡人數的77%，60歲以上的老人佔12%。另外，在被殺害的4380名婦女中，83%在45歲以上。
在戰後1946年國民政府所進行的社會調查中，南京東郊的第十區孝陵衞呈報死亡名錄為456人，60歲以上者117人，年齡最大者為90歲；在男女比例上，男性為344人，女性為112人，女性所佔比例接近25%。
除了瘋狂屠殺俘虜和平民外，日軍在進攻和佔領南京的過程中還大肆強姦中國婦女。據時在國際安全區金陵大學難民所的貝德士記述：“能幹的德國同事估計強姦案例有2萬起。我想不會少於8000起，也許還要更多。僅在金陵大學房產範圍內——包括我們一些教職員宿舍和現在由美國人居住的房子——我得知詳細情況的就有100多例，可以確信的大約有300例。人們很難以想象這種痛苦與恐怖。小至11歲的女孩子和老到53歲的婦女橫遭姦污。在神學院裏面，17個士兵在光天化日之下輪姦了一個婦女。事實上約三分之一此類案件發生在白天。
日軍擔心士兵肆無忌憚的強姦行為會傳染性病，削弱其戰鬥力，因此，日軍佔領南京後不久便開始在南京籌設“慰安所”，強制大批中國婦女充當日軍的性奴隸。
日軍在進攻和佔領南京後，縱火和掠奪日益升級。包括英美人士住宅在內的公私建築均成了日軍掠奪和焚燒的目標，據斯邁思的調查，城內外89%以上的房屋遭到焚燒和搶劫，24%的房屋毀於縱火，而城內73%的房屋均遭到搶劫。甚至連第十六師團師團長中島今朝吾也加入了劫掠的行列。最具諷刺的事件是他本人的財物即使貼上封條也被其他日軍部隊偷走。他在日記中説：“如果是在自己的管轄範圍內尋找東西也就隨他去了，至少作為戰場心理的一種表現，大概也不認為是有悖道德吧。但進入他人勢力範圍內，何況在已釘上了司令部標牌的建築物內，滿不在乎地行竊，這也太過分了。”日軍在南京的掠奪行為由此可見一斑。
目擊南京暴行的美國記者斯提爾(A. T. Steele)、杜丁(Frank Tillman Dundin)、麥克丹尼爾(C. Y. McDaniel)等於12月15日離開南京後，美國《芝加哥每日新聞報》《紐約時報》，英國《泰晤士報》《曼徹斯特衞報》等連續報道了日軍在南京屠殺俘虜和平民的暴行，其後留在南京的西方傳教士和後來回到南京的英、美、德外交人員，也通過各種渠道向外界報告了日軍在南京持續不斷的暴行，世界輿論譁然。1938年2月，華中方面軍司令官鬆井石根大將因此被日本參謀本部召回。但是，在日本軍攻佔南京的第二天，東京40餘萬人舉行了盛大的提燈遊行，慶祝南京陷落。而日軍在南京暴行的相關新聞在日本國內則一直被封鎖，直到日本戰敗後在遠東國際軍事法庭審判南京大屠殺案時，日本國民才得知日軍當年在南京的暴行真相。
日軍在南京的燒殺淫掠，嚴重違反了國際法。第二次世界大戰結束後，同盟國在東京、中國在南京分別組織軍事法庭對南京大屠殺案進行了審判。據遠東國際軍事法庭判決書認定：“被佔領後的第一個月中，南京城裏發生了將近2萬起強姦案。”“在日本軍隊佔領後的最初六個星期內，南京城內和附近地區被屠殺的平民和俘虜的總數超過20萬人以上。”南京國防部軍事法庭認定：在南京大屠殺中，被具體屠殺的人數達19萬之多，此外，被零星屠殺者15萬餘人，被害總數共30餘萬人。
日方報告：“攻佔南京與南京虐殺事件”
作者：波多野澄雄 莊司潤一郎
在參謀本部，作戰課課長河邊和參謀次長多田等人反對進一步擴大作戰地區。部內就是否取消法定線及攻佔南京問題，發生了激烈的爭論。最終，還是華中方面軍的再三要求使作戰部的方針向攻佔南京傾斜。
11月15日，第十軍決定實行“獨斷追擊”，開始進攻南京。華中方面軍司令鬆井也表示贊同，給軍中央施加壓力。在參謀本部，參謀次長多田和作戰課課長河邊，寄希望於正在進行中的陶德曼調停，試圖在攻佔南京前通過和平談判進行政治解決。但制止進攻是困難的，12月1日，向華中方面軍下達了攻佔南京的命令。12月10日，日本軍開始向南京發動總攻，先頭部隊於12日突破城牆進入城內。13日，佔領了南京。
其間，中國政府高官接連離開南京，居民也為了逃避戰禍而躲到設置在市內的南京國際安全區(“難民區”)避難，此外，為了不讓日本軍隊使用，很多的建築物被中國軍隊燒燬。
國民政府於11月中旬召開的國防最高會議上決定遷都重慶，因蔣介石對於從首都南京撤退表示為難，故而決定固守一段時間。被任命為首都衞戍司令官的唐生智最初堅持死守南京，拒絕了鬆井司令官開城投降的勸告。但12月11日，他接到蔣介石撤退的指示後，12日就向各處防衞指揮官下令突破包圍撤退。
但是，按計劃撤退出來的部隊甚少，多數被揚子江堵住退路，陷入混亂狀態，許多殘兵敗將換上便衣，逃到“難民區”。
華北方面軍鑑於上海戰役以來頻發的無軍紀行為，對預定在南京陷落後進城的部隊，下達了關於“特別嚴肅軍紀風紀”的嚴格規定(“南京攻略要領”)。但是，日軍還是對俘虜、殘兵、便衣兵以及部分市民進行了集體的或個別的屠殺，強姦、掠奪和放火事件也頻繁發生。日軍的屠殺行為導致的死亡人數，據遠東國際軍事審判的裁決達20萬人以上(對於鬆井司令官的裁判書上是10萬人以上)，1947年南京戰犯審判軍事法庭公佈為30萬人以上。中國的見解是以後者的判決為依據的。而在日本的研究中，則以20萬人為上限，有4萬人、2萬人等各種推算。
對於犧牲人數的各種不同説法，其背景是對“虐殺”(非法殺害)的定義、所定地區、時期及埋葬記錄、人口統計等資料的驗證存在差異。
日軍所犯下的暴行，在被外國媒體報道的同時，通過南京國際安全區委員會向日本大使館進行的抗議以及上海總領事館等的報告這些途徑也傳到了外務省，進而也傳到了陸軍中央部。結果於1938年1月4日，以參謀總長閒院宮的名義向鬆井司令發了一份少有的意見書——《關於深切期望振作相關軍紀、風紀》。
關於引起虐殺的主要原因，被分析指出存在如下幾點原因：因沒有正式宣戰而停留在“事變”的程度上，日本在對待俘虜的有關方針和佔領後包括保護居民在內的軍政計劃方面有欠缺；維護軍紀的憲兵人數少；無視糧食和物資供給情況而斷然攻佔南京，其結果引發了掠奪行為，誘發了軍紀渙散的不法行為等。
戰後，遠東國際軍事審判對司令官鬆井、南京戰犯軍事法庭對第六師團長谷壽夫，分別問責屠殺責任，判處死刑。另外，造成犧牲擴大的次要原因是，中國軍隊在南京防衞作戰上的錯誤，以及其後放棄統一指揮、缺乏對民眾的保護措施。
南京國際安全區委員長約翰•拉貝(John H. D. Rabe)針對唐司令官的“如此是否會出現無區別的士兵甚至普通市民的犧牲”的質疑，批判了毫不珍惜中國國民生命的國民政府、軍隊首腦之不負責任的行為。
佔領首都南京使“勝利者”意識在日本朝野得以推廣，對事變的善後處理及和談條件也產生了巨大影響。近衞內閣在12月底的內閣會議上決定的《處理中國事變綱要》也反映了這種勝利者意識，談到無論在政治上還是經濟上都要將華北和上海周邊置於日本的強大影響下。
