蒋介石确定了固守南京的方针，又决定迁都重庆。那时，日本空军已对南京进行过三次空袭，国民政府各部门已纷纷迁往武汉，只有少数人还留在南京。蒋介石为了避免日机轰炸，住在中山门外四方城旁边一幢极小的房屋里，只有两间小房，吃饭、会客、办公都在一个小房里。汪精卫住在中山陵园自己的别墅里，当他得悉前线部队已撤离吴福线，日军已沿太湖南岸西进，就乘船去汉口了。
11月25日，蒋介石下达保卫首都的作战序列，共计七个军、十四个师及配属单位。这十四个师中，除徐源泉的第二军团是刚从武汉调来，其余大部分是淞沪战场上撤退下来的部队，伤亡较大，来不及补充和休整。
蒋介石批准的作战方案，将防守重点摆在镇江方向，其次是南京至杭州公路的汤山镇和淳化镇。防御地带由三线组成：第一道防线从南京以东和以南外围山地的三江口至板桥镇，第二道防线从八卦洲南岸的甘家巷、西善桥到江心洲对岸，最后的防线就是南京城。
按照唐生智的部署，徐源泉第二军团两个师，防守南京以东的龙潭至汤山附近一线正面；叶肇第六十六军两个师，防守汤山至淳化镇以东一线正面；俞济时第七十四军两个师，防守淳化镇至板桥镇和江心洲一线；王敬久第七十一军和邓龙光第八十三军防守镇江；孙元良第七十二军防守城南中华门、雨花台和黄山顶；宋希濂第七十八军部署在城北的幕府山、下关、和平门与玄武湖地区；桂永清的教导总队防守城东中山门外至玄武湖一线；萧山令的两个宪兵团防守城西莫愁湖、清凉山和草场门一线。
以上各部队仓促进入新的防区，其中第二军团第四十八师，在南京保卫战打响以后，才于12月7日从汉口到达南京。
12月2日上午，蒋介石得到一条令人沮丧的消息：布鲁塞尔九国会议成员国，竟然没有一个同情中国，也没有任何国家愿意出面制止日本，或促使日本放宽和谈条件。傍晚，德国驻华大使陶德曼来到黄埔路官邸，对蒋介石说：“现在日本人和谈的要价更高了，近卫内阁有些人说，一定要叫中国人丢脸，你们还是赶快撤出南京吧”
蒋介石脸色铁青。他对九国会议寄予的希望，现在成了肥皂泡。他心情沮丧，原先对固守南京的一点信心，现已灰飞烟灭。他决定马上离开南京。
7日，他和宋美龄来到百子亭唐公馆，向唐生智告别。唐生智正在召开师以上军官作战会议，见蒋氏夫妇来了，连忙带头鼓掌，请蒋介石训话。蒋介石为大家鼓了鼓气，博得一片掌声。他说，云南的部队已经在开拔途中，只要大家死守下去，他很快就会亲自率领强大的军队来解围，歼灭入侵的日军，光复国土。唐生智代表守城官兵，向蒋介石表示誓与南京共存亡的决心。蒋介石拉着他的手说：“孟潇，我代表政府感谢你”
“委员长放心，保卫南京是军人职责，没有你的命令，我决不后退一步。”唐生智信誓旦旦。
门口的轿车发动机响了，蒋介石和众人告别，唐生智把蒋氏夫妇送上轿车，挥手告别。轿车开出唐公馆，直奔光华门机常转眼间，飞机冲上云霄，在南京上空绕了一圈，向长江尽头飞去。
唐生智给交通部长俞飞鹏下了一道命令，叫他撤掉下关到浦口之间的渡轮，禁止任何部队和军人从下关渡江。他还命令浦口的胡宗南第一军制止军人从南京向北岸渡江，如有不服者，可以开枪射击。
蒋介石离开南京之前，南京保卫战已于5日拂晓在句容打响。日军中岛今朝吾第十六师团沿京杭国道，前进到句容和汤山镇之间，遭到守军猛烈抗击。这一线阵地上有两支粤军，一支是叶肇军，另一支是邓龙光军。两个军一共四个师，其中三个师刚从淞沪战场撤到这里，实际人员伤亡过半。另一个师刚从武汉调来，地形不熟，放下背包，工事还没来得及挖，日军就上来了，他们只好仓促迎战。
开战的枪声响过，叶肇在望远镜中见日军的先头部队人数不多，稍稍松了口气。他设想在句容附近布置一个“口袋阵”，全歼这股日军。于是，他命令第四七八旅旅长喻英带两个团上去，包围日军。他们打到中午，兵力不足，一批日军突破了包围圈，喻英命令部下拼刺刀，把他们堵祝不料大批日军蜂拥而至，喻英旅且战且退。傍晚，喻英的两个团被日军反包围，水泄不通，任凭左冲右突，也冲不出包围圈。第二天中午，叶肇想叫这两个团向西南突围，可是命令无法传递。邓龙光军闻讯赶来增援，打了半天，又引来大批日军。叶肇派两个营去传达命令，却无法插入日军包围圈。邓龙光军在西南方向攻击，日军掉转枪口攻打他们。邓龙光军渐感不支，向土桥方向且战且退。这时，日军包围圈内的喻英旅两个团寻机向西突围，日落西山时，终于冲出包围圈。
两支广东军且战且退，日军紧追不舍。他们退到汤山，见机向日军发起攻击，途中与日军相撞，很快绞杀在一起。喊杀声、惨叫声和枪械撞击声响成一片，杀得天昏地暗。双方投入兵力越来越多，白刃战持续了一个小时，日军的坦克和骑兵上来了，叶肇命令部队迅速撤退，在中山门外的孝陵卫布防。
孝陵卫距南京城只有五里路。叶肇考虑到距城太近，日军一个冲锋就能攻入城内，便派出一支工兵队隐蔽在孝陵卫前面的其林门，阻击迟滞日军攻城。十人组成的工兵队伍乘夜出发，走了不久，发现对面来了一队人马，便喝问一声：“什么人？”