1937年12月13日，日军攻占南京，开始了为期数周的烧杀抢掠。时至今日，中日两国学者对于这段历史的叙述仍未完全达成共识，关于南京大屠杀遇难人数的分歧即是一例。《中日共同历史研究报告(近代史卷)》的序言中这样说明双方学者间的差异：“中方学者重视近代中日两国之间发生一系列问题的原因与本质，日方学者倾向于探究问题发生的过程。当然，在长时间的共同研究中，双方学者对于上述差异也达成了一定的相互理解：日方学者理解了中方学者高度关注侵略战争对中国产生巨大伤害的原因，而且注意到尽管如此并没有使他们的学术研究流于情绪化；中方学者肯定日方学者实证研究的成果，也注意到日方学者并未因此否定加害的责任。”
中方报告：“南京大屠杀”
作者：荣维木
日军占领上海后，继续向西推进，威胁国民政府首都南京。11月20日，国民政府宣布迁都重庆，坚持抗战。26日，国民政府任命唐生智为南京卫戍司令长官，下辖13个建制师又15个团共15万余人，负责保卫南京。12月1日，日本大本营正式下达“大陆命第8号”命令，命“华中方面军司令官与海军协同，攻占敌国首都南京”。3日，日军上海派遣军和第十军计10万余兵力，在飞机、坦克和海军兵舰的配合下，兵分三路实施围攻南京的作战计划。中国守军进行了英勇抵抗，12日，在日军强大炮火的攻击下被迫实施突围。13日，南京沦陷。
在日本海军封锁长江南京江面后，中国守军大都未能突围而被俘。由于日军后勤准备不足，且因俘虏众多而担心带来安全问题，一些部队于是“基本上不实行俘虏政策”，大量中国军人被俘后均遭日军集体屠杀。第十六师团中岛今朝吾师团长在12月13日的日记中说：“事后得知，仅佐佐木部队就处理掉约15000人，守备太平门的一名中队长处理了约1300人。在仙鹤门附近集结的约有七八千人。此外，还有人不断地前来投降……处理上述七八千人，需要有一个大壕，但很难找到。预定将其分成一两百人的小队，领到适当的地方加以处理。”在攻占南京之后，日军仍然不断地集中屠杀俘虏，第十三师团的山田支队在日军举行入城式的前一天，在长江沿岸的幕府山脚下分批屠杀了约2万人。从现已发现的日军南京战斗详报来看，其战果中大都列有具体的歼灭人数，但很少提及俘虏人数。在南京战役过程中，日军自上而下执行屠杀俘虏的政策无疑十分彻底。
南京大屠杀遇难同胞纪念馆
由于无路可退，部分中国守军官兵脱下军装、扔掉武器，避入南京难民区。为了搜捕“败残兵”，日军仅仅根据男子的相貌来随意判断，因此，许多平民被误作军人而遭处置。仅12月24日，在金陵大学难民所的网球场上，一天就有二三百人被日军带到五台山和汉西门外遭到屠杀。
同城区相比，日军在南京近郊广大农村地区屠杀平民的暴行也十分猖獗。据1938年3~4月金陵大学社会学系斯迈思(Lewis S. C. Smythe，原译史密斯)教授在江宁、句容、溧水、江浦和六合部分地区进行的抽样调查表明，因日军屠杀而死亡者总数为30950人，居民平均每1000人中死亡29人，每7户中就有1人被杀。在年龄结构上，15~59岁之间者占死亡人数的77%，60岁以上的老人占12%。另外，在被杀害的4380名妇女中，83%在45岁以上。
在战后1946年国民政府所进行的社会调查中，南京东郊的第十区孝陵卫呈报死亡名录为456人，60岁以上者117人，年龄最大者为90岁；在男女比例上，男性为344人，女性为112人，女性所占比例接近25%。
除了疯狂屠杀俘虏和平民外，日军在进攻和占领南京的过程中还大肆强奸中国妇女。据时在国际安全区金陵大学难民所的贝德士记述：“能干的德国同事估计强奸案例有2万起。我想不会少于8000起，也许还要更多。仅在金陵大学房产范围内——包括我们一些教职员宿舍和现在由美国人居住的房子——我得知详细情况的就有100多例，可以确信的大约有300例。人们很难以想象这种痛苦与恐怖。小至11岁的女孩子和老到53岁的妇女横遭奸污。在神学院里面，17个士兵在光天化日之下轮奸了一个妇女。事实上约三分之一此类案件发生在白天。
日军担心士兵肆无忌惮的强奸行为会传染性病，削弱其战斗力，因此，日军占领南京后不久便开始在南京筹设“慰安所”，强制大批中国妇女充当日军的性奴隶。
日军在进攻和占领南京后，纵火和掠夺日益升级。包括英美人士住宅在内的公私建筑均成了日军掠夺和焚烧的目标，据斯迈思的调查，城内外89%以上的房屋遭到焚烧和抢劫，24%的房屋毁于纵火，而城内73%的房屋均遭到抢劫。甚至连第十六师团师团长中岛今朝吾也加入了劫掠的行列。最具讽刺的事件是他本人的财物即使贴上封条也被其他日军部队偷走。他在日记中说：“如果是在自己的管辖范围内寻找东西也就随他去了，至少作为战场心理的一种表现，大概也不认为是有悖道德吧。但进入他人势力范围内，何况在已钉上了司令部标牌的建筑物内，满不在乎地行窃，这也太过分了。”日军在南京的掠夺行为由此可见一斑。
目击南京暴行的美国记者斯提尔(A. T. Steele)、杜丁(Frank Tillman Dundin)、麦克丹尼尔(C. Y. McDaniel)等于12月15日离开南京后，美国《芝加哥每日新闻报》《纽约时报》，英国《泰晤士报》《曼彻斯特卫报》等连续报道了日军在南京屠杀俘虏和平民的暴行，其后留在南京的西方传教士和后来回到南京的英、美、德外交人员，也通过各种渠道向外界报告了日军在南京持续不断的暴行，世界舆论哗然。1938年2月，华中方面军司令官松井石根大将因此被日本参谋本部召回。但是，在日本军攻占南京的第二天，东京40余万人举行了盛大的提灯游行，庆祝南京陷落。而日军在南京暴行的相关新闻在日本国内则一直被封锁，直到日本战败后在远东国际军事法庭审判南京大屠杀案时，日本国民才得知日军当年在南京的暴行真相。
日军在南京的烧杀淫掠，严重违反了国际法。第二次世界大战结束后，同盟国在东京、中国在南京分别组织军事法庭对南京大屠杀案进行了审判。据远东国际军事法庭判决书认定：“被占领后的第一个月中，南京城里发生了将近2万起强奸案。”“在日本军队占领后的最初六个星期内，南京城内和附近地区被屠杀的平民和俘虏的总数超过20万人以上。”南京国防部军事法庭认定：在南京大屠杀中，被具体屠杀的人数达19万之多，此外，被零星屠杀者15万余人，被害总数共30余万人。
日方报告：“攻占南京与南京虐杀事件”
作者：波多野澄雄 庄司润一郎
在参谋本部，作战课课长河边和参谋次长多田等人反对进一步扩大作战地区。部内就是否取消法定线及攻占南京问题，发生了激烈的争论。最终，还是华中方面军的再三要求使作战部的方针向攻占南京倾斜。
11月15日，第十军决定实行“独断追击”，开始进攻南京。华中方面军司令松井也表示赞同，给军中央施加压力。在参谋本部，参谋次长多田和作战课课长河边，寄希望于正在进行中的陶德曼调停，试图在攻占南京前通过和平谈判进行政治解决。但制止进攻是困难的，12月1日，向华中方面军下达了攻占南京的命令。12月10日，日本军开始向南京发动总攻，先头部队于12日突破城墙进入城内。13日，占领了南京。
其间，中国政府高官接连离开南京，居民也为了逃避战祸而躲到设置在市内的南京国际安全区(“难民区”)避难，此外，为了不让日本军队使用，很多的建筑物被中国军队烧毁。
国民政府于11月中旬召开的国防最高会议上决定迁都重庆，因蒋介石对于从首都南京撤退表示为难，故而决定固守一段时间。被任命为首都卫戍司令官的唐生智最初坚持死守南京，拒绝了松井司令官开城投降的劝告。但12月11日，他接到蒋介石撤退的指示后，12日就向各处防卫指挥官下令突破包围撤退。
但是，按计划撤退出来的部队甚少，多数被扬子江堵住退路，陷入混乱状态，许多残兵败将换上便衣，逃到“难民区”。
华北方面军鉴于上海战役以来频发的无军纪行为，对预定在南京陷落后进城的部队，下达了关于“特别严肃军纪风纪”的严格规定(“南京攻略要领”)。但是，日军还是对俘虏、残兵、便衣兵以及部分市民进行了集体的或个别的屠杀，强奸、掠夺和放火事件也频繁发生。日军的屠杀行为导致的死亡人数，据远东国际军事审判的裁决达20万人以上(对于松井司令官的裁判书上是10万人以上)，1947年南京战犯审判军事法庭公布为30万人以上。中国的见解是以后者的判决为依据的。而在日本的研究中，则以20万人为上限，有4万人、2万人等各种推算。
对于牺牲人数的各种不同说法，其背景是对“虐杀”(非法杀害)的定义、所定地区、时期及埋葬记录、人口统计等资料的验证存在差异。
日军所犯下的暴行，在被外国媒体报道的同时，通过南京国际安全区委员会向日本大使馆进行的抗议以及上海总领事馆等的报告这些途径也传到了外务省，进而也传到了陆军中央部。结果于1938年1月4日，以参谋总长闲院宫的名义向松井司令发了一份少有的意见书——《关于深切期望振作相关军纪、风纪》。
关于引起虐杀的主要原因，被分析指出存在如下几点原因：因没有正式宣战而停留在“事变”的程度上，日本在对待俘虏的有关方针和占领后包括保护居民在内的军政计划方面有欠缺；维护军纪的宪兵人数少；无视粮食和物资供给情况而断然攻占南京，其结果引发了掠夺行为，诱发了军纪涣散的不法行为等。
战后，远东国际军事审判对司令官松井、南京战犯军事法庭对第六师团长谷寿夫，分别问责屠杀责任，判处死刑。另外，造成牺牲扩大的次要原因是，中国军队在南京防卫作战上的错误，以及其后放弃统一指挥、缺乏对民众的保护措施。
南京国际安全区委员长约翰•拉贝(John H. D. Rabe)针对唐司令官的“如此是否会出现无区别的士兵甚至普通市民的牺牲”的质疑，批判了毫不珍惜中国国民生命的国民政府、军队首脑之不负责任的行为。
占领首都南京使“胜利者”意识在日本朝野得以推广，对事变的善后处理及和谈条件也产生了巨大影响。近卫内阁在12月底的内阁会议上决定的《处理中国事变纲要》也反映了这种胜利者意识，谈到无论在政治上还是经济上都要将华北和上海周边置于日本的强大影响下。