1937年11月20日，中日军队在苏州、常熟发生激战；同一天，唐生智宣布南京开始戒严。南京卫戍司令部指挥机构名单已于两天前出炉：司令长官唐生智；副司令长官罗卓英、刘兴，参谋长周斓，副参谋长佘念慈。此时列入南京卫戍部队的只有第36师、第87师、第88师、教导总队、宪兵部队和警察部队。蒋介石并不满意这些兵力的投入。随着部队不断从前线溃退下来，蒋又亲自进行了调动：命令驻扎湖北的徐源泉的第2军团星夜驰援南京；随后又将广东的第66军、第83军以及俞济时的第74军划归南京卫戍军战斗序列。这样，南京卫戍军最后的战斗序列为：
第71军（军长王敬久），辖第87师（师长沈发藻）；
第72军（军长孙元良），辖第88师（师长孙元良兼）；
第78军（军长宋希濂），辖第36师（师长宋希濂兼）；
教导总队（总队长桂永清，参谋长邱清泉），辖第1旅（旅长周振强）、第2旅（旅长胡启儒）、第3旅（旅长马威龙）；
宪兵部队（副司令肖山令，代司令职），辖第2团（团长罗友胜）、第10团（团长陈烈林）、和教导第2团（团长周竞仁）；
第74军（军长俞济时），辖第51师（师长王耀武）、第58师（师长冯圣法）；
第66军（军长叶肇），辖第159师（师长谭邃）、第160师（师长叶肇兼）；
第83军（军长邓龙光），辖第154师（师长巫剑雄）、第156师（师长李江）；
第2军（军长徐源泉），辖第41师（师长丁治磐）、第48师（师长徐继武）。
战斗开始后，12月10日，又有从镇江、江阴撤回到南京的103师残部（由副师长戴之奇统领）由太平门入城，后驻守中山门至太平门一线。该师只有3个团，2000多人。另外还有第112师一部。此外，首都警察部队也加入战斗。在这些队伍中，守卫下关的第36师是总预备队。
1937年11月22日，蒋介石在任命唐生智为南京卫戍司令后，对全城防御工事进行了首次巡视；转天，蒋亲临常州前线，鼓励将士奋勇杀敌。此时，无锡至江阴一线处处激战。
11月25日上午9时左右，日军飞机再次来袭。当时，中国的两架侦察在侦察日军行军情况时，遭到3架日军作战飞机的拦截和尾随追击。进入紫金山上空后，停在南京飞机场的中国空军为数不多的作战飞机（有苏联支援飞行员参战）立即升空迎敌，加上高炮阵地的火力支持，终于驱走敌机，中国的侦察机安全降落。在这一天，蒋介石正式向外界发表谈话，表示将以全力保卫首都南京。
11月27日，唐生智以南京卫戍司令的名义召开新闻发布会。在发布会上，他谈到守土抗敌是中国革命军人的职责，他必将使日军付出巨大代价，他本人将与南京共存亡。在此之前，他向蒋介石的表态是：“临危不乱，临难不苟。”当时，日军从东、南、西三个方向合围而来，南京只剩下下关江边一个出口。在这种情况下，唐生智下令撤掉从下关到江对岸浦口和上游武汉的渡轮，收缴江中所有船只，交由防守挹江门的宋希濂的第36师看管；同时，发布命令，如有谁敢于擅自渡江，防守挹江门的宋希濂的第36师和长江北岸的胡宗南部可开枪射击。玉碎而亡的决心，似乎已成了。
南京防线随之确定：
第一道防线即外围防线：自大胜关，经牛首山、方山、淳化镇、汤山，到龙潭。在这一弧形防线附近又有秣陵关、板桥、江宁、栖霞山、马群、麒麟门、仙鹤门、尧化门、高桥门等阵地；
第二道防线即复廓防线，以清凉山、雨花台、紫金山、幕府山、下关等南京近郊区域为阵地；此外还有长江防线：以江阴要塞、镇江要塞、乌龙山炮台和狮子山炮台为依托，封锁江面。
具体部署如下：
复廓阵地：
宋希濂的第36师守挹江门、下关；
桂永清的教导总队主力守紫金山，一部守光华门、中山门、太平门；
孙元良的第88师守中华门、雨花台；
萧山令的宪兵团守清凉山、草场门。
外围阵地：
叶肇的第66军守汤山至淳化镇以东一线；
徐源泉的第2军团（12月7日抵达南京）守栖霞山、乌龙山、龙潭一线；
俞济时的第74军守淳化镇、牛首山至江心洲一线；
邓龙光的第83军、沈发藻的第87师守镇江。
在这个名单里，包括11月27日从上海前线退至南京的嫡系俞济时的第74军，以及孙元良的第88师、沈发藻的第87师、宋希濂的第36师和桂永清的教导总队。当看到教导总队时，蒋介石唏嘘不已。教导总队由中央军校的青年学生组成，装备精锐，多年来驻扎南京，一直为其倚重。淞沪战起后，教导总队一部驰援上海，参加了争夺张华滨的战斗。南京保卫战开始后，对南京地形甚为熟悉的总队扩编为3个旅，全部放在南京了。南京守得住吗？又能守多少天？蒋介石的内心实际上一片茫然。
11月的最后一天，日军飞机大批出现在南京上空，狂乱轰炸中，城内多处起火，市民死伤无数。由于中国作战飞机有限，所以对日机的施暴，主要以防空高射炮应对。当日，日机投弹的爆炸声和中国高射炮阵地的开火声连成一片，其中一加日机被击中坠毁于城内夫子庙附近，引得市民们欢呼并前来观看。击落此架飞机的是炮兵第42团第1营高炮第3连沈咸部。该部1排全体官兵被蒋介石记三等功，奖银洋500块。
中日南京之战日益激烈。
1937年11月20日的时候，国民政府已经正式向全国发表宣言，决定迁都重庆。在更早的10月29日，蒋介石在最高国防会议上作了题为《国民政府迁都重庆与抗战前途》的报告。严格地说，国民政府作出迁都的决定，意已表明与日本作战的决心，预示着抗战的总爆发。宣言中，国民政府措辞激烈：“自卢沟桥事变发生以来，平津沦陷，战事蔓延，国民政府鉴于暴日无止境之侵略，爰决定抗战自卫，全国民众同仇敌忾，全体将士忠勇奋发，被侵各省，均有剧烈之奋斗，极壮烈之牺牲。迩者暴日更肆贪黩，分兵西进，逼我首都。察其用意，无非欲挟其暴力，要我为城下之盟。为国家生命计，为民族人格计，为国际正义为世界和平计，皆已无屈服之余地，凡有血气，无不具宁为玉碎，不为瓦全之决心。国民政府兹为适应战况，统筹全局，长期抗战起见，本日移驻重庆，此后将以最广大之规模，从事更持久之战斗，以中华人民之众，土地之广，人人抱必死之决心，以其热血与土地凝结为一，任何暴力不能使之分离……”
在此之前，国民政府拒绝了德国驻华大使陶德曼转达的日本方面提出的7个旨在肢解中国的停火条件：一、内蒙古自治；二、扩大华北自治范围；三、上海停战区扩大，由国际共管；四、中国停止一切排日、抗日活动；五、共同防共；六、减低日货关税；七、尊重外国在华权利。
