12月10日，金陵的天色依旧阴沉，寒风刺骨。经过前几日的激战，守军防线已是伤痕累累，士兵们疲惫不堪，但日军的进攻却愈发猛烈。松井石根因劝降无效，恼羞成怒，下令对南京城发起全面总攻，六个师团的兵力同时向金陵外围阵地与城门发起冲锋，华中航空兵团的战机更是对城区进行地毯式轰炸，南京城真正陷入了绝境。
清晨六点，日军的炮火率先拉开总攻序幕。淳化镇、江宁、句容、栖霞山等外围阵地同时遭到猛烈炮击，炮弹密集地落在战壕与掩体上，泥土与碎石飞溅，不少士兵被埋在坍塌的工事下。紧接着，日军步兵在坦克掩护下，向各阵地发起集团冲锋，密密麻麻的日军士兵像潮水般涌来，喊杀声震天动地。
淳化镇防线由新编二十八军第四旅与装甲团驻守，刚接手防御就遭遇日军第十八师团的全力冲击。日军坦克集群突破了外围反坦克壕，履带碾过铁丝网，向镇内推进，步兵则紧随其后，逐街逐屋地争夺。第四旅旅长下令坦克反击，“雄狮”II型坦克与日军九七式坦克在镇内街道展开激烈巷战，炮声、枪声、履带摩擦声交织在一起。
“旅长，日军从东侧突破了防线，正在向镇中心推进！”通讯兵气喘吁吁地报告。
“命令预备队顶上去，炸掉日军坦克！”旅长下令。预备队士兵们抱着反坦克武器，冒着密集火力冲向日军坦克，有的士兵成功，有的却倒在了冲锋路上。激战中，第四旅伤亡不断增加，装甲团的坦克也被击毁五辆，淳化镇防线岌岌可危。
与此同时，光华门方向的战斗已进入白热化。日军第十八师团与第六师团一部集中兵力，向光华门的城墙缺口发起猛攻。第87师与新编二十八军第一师的士兵们依托残垣断壁顽强抵抗，白刃战在城墙缺口处反复上演。沈发藻师长亲自在城楼上指挥，手臂被弹片划伤也浑然不觉，大喊着：“死守缺口，退后者斩！”
但日军的攻势实在凶猛，一波又一波的士兵爬上城墙，城墙上的守军越来越少。“楚军长，光华门缺口扩大，日军已冲进外瓮城，请求紧急支援！”沈发藻的求援电话带着哭腔。
楚强刚下令第四旅抽调一个营驰援光华门，江宁方向又传来急报：“军长，日军第十三师团突破江宁防线，正向中华门迂回！”
楚强的眉头拧成一团，此时各部队都已投入战斗，机动兵力所剩无几。他咬牙下令：“让第二师第三旅放弃城北部分阵地，驰援江宁；第一师第二旅抽调兵力，支援光华门；告诉各友军，坚守阵地，再坚持半天，援军就到！”
但援军迟迟未能出现，友军的防线已开始崩溃。栖霞山方向，第41师与第48师在日军第一一四师团的猛攻下载重过大，被迫后撤；句容方向，第41师残部难以抵挡日军第六师团的进攻，向城区撤退。外围阵地接连失守，金陵城的防御体系被撕开多个缺口，日军开始向城门集中兵力，发起最后的冲击。
中午时分，中华门遭到日军第六师团的全力进攻。稻叶四郎集中了三个步兵联队、两个坦克大队，在炮火掩护下，向中华门的瓮城发起冲锋。第三师与第88师的士兵们协同作战，城墙上的重机枪、地面的坦克火力、瓮城的迫击炮形成立体防御，但日军士兵像疯了一样，踩着同伴的尸体冲锋，有的甚至绑着炸药包冲向守军阵地，与工事同归于尽。
“师长，西侧瓮城失守，日军冲进内瓮城了！”第三师的一名参谋向徐涛报告。
徐涛亲自率领预备队冲进内瓮城，与日军展开白刃战。他手中的佩枪连续击毙三名日军，却被一名日军士兵的刺刀划伤大腿。“兄弟们，跟我杀！”徐涛忍着剧痛，挥舞着佩枪继续冲锋，士兵们深受鼓舞，纷纷跟着他冲向日军，将冲进内瓮城的日军击退。但此时，第88师已伤亡过半，士兵们疲惫不堪，中华门的防线已是摇摇欲坠。
就在各城门激战正酣时，一个让所有人意想不到的消息传来——金陵卫戍区司令长官唐生智，在未通知任何部队的情况下，带着少数随从乘坐小火轮逃离了金陵，前往江北。
这个消息像惊雷般在各守军部队中炸开，友军部队瞬间陷入混乱。“唐长官跑了？那我们还守什么？”“没有指挥了，我们撤退吧！”不少友军士兵开始溃散，有的丢弃武器，向城外逃窜，有的则涌向下关码头，试图寻找船只撤离。
第87师的防线因士兵溃散出现缺口，日军趁机冲进光华门，沈发藻虽竭力阻拦，却难以挽回颓势，只能率领残部向城内撤退。中山门的友军部队也开始溃散，日军第十三师团的士兵冲进城门，向市中心推进。
“军长，唐长官逃跑了，友军部队正在溃散，光华门、中山门已失守，日军正向城内推进！”李明轩气喘吁吁地跑进指挥所，脸上满是焦急。
楚强猛地一拍桌子，桌面的茶杯被震倒，茶水洒了一地。他眼神赤红，怒吼道：“唐生智！懦夫！”但愤怒解决不了问题，此刻南京城防已濒临崩溃，友军溃散，日军进城，形势万分危急。
“命令全军，全面接管金陵城防！”楚强当机立断，下达命令，“第一师死守下关防线，严禁任何部队擅自撤离，同时组织收容溃散友军；第二师第四旅、装甲团立即从淳化镇撤防，驰援中华门、光华门，堵住缺口；第三师死守中华门内瓮城，与日军展开巷战；军部直属的特战营、加强炮团、防空团全力支援各城门作战；后勤科组织百姓向安全区域转移，医疗营在城内设置临时救护点，救治伤员。”
“另外，命令各部队：凡溃散友军，愿意继续作战者，编入临时战斗小组，补充到各阵地；不愿作战者，一律护送至下关码头，安排船只撤离；严禁任何部队擅自撤离，违抗命令者，军法处置！”
一连串命令迅速通过电台传遍全军，新编二十八军各部队立刻行动起来。尽管友军溃散带来了巨大压力，但新编二十八军的士兵们训练有素，在楚强的统一指挥下，迅速稳住了阵脚。
第四旅与装甲团接到命令后，立刻从淳化镇撤防，向中华门驰援。坦克集群轰鸣着穿过街道，向冲进中华门的日军发起冲击，车载机枪横扫日军，坦克炮将日军占据的房屋炸塌，日军在钢铁洪流面前不堪一击，被迫向后撤退。徐涛率领第三师残部趁机发起反击，重新夺回了内瓮城，暂时稳住了中华门的防线。
第一师师长楚德接到命令后，立刻组织部队收容溃散友军。“愿意继续作战的，跟我们走，守住下关，守住金陵！”楚德站在街道上，对着溃散的友军士兵大喊。不少友军士兵看到新编二十八军依旧在顽强抵抗，深受触动，纷纷拿起武器，加入到防御队伍中。第一师迅速组织起一支临时战斗小组，部署在中山门至下关的街道上，构筑临时防线，阻止日军推进。
特战营的士兵们趁着混乱，潜入日军后方，袭击了日军的通讯站与补给点。他们使用消音版兴南2式冲锋枪，精准射杀日军的通讯兵与补给兵，炸毁了日军的电台与弹药箱，打乱了日军的指挥与补给节奏。
加强炮团则将炮火转向城内的日军集结区域，炮弹落在日军中间，炸起巨大的烟尘，延缓了日军的推进速度。防空团继续拦截日军战机，击落了两架试图轰炸下关码头的日军轰炸机，为百姓撤离争取时间。
后勤与第二师第三旅的士兵们挨家挨户地动员百姓撤离。“乡亲们，日军进城了，这里太危险，跟我们去下关码头，有船送你们去江北！”士兵们一边组织百姓转移，一边为他们提供粮食与药品。不少百姓不愿离开家园，但在士兵们的反复劝说下，还是收拾行李，跟着士兵们向安全区域转移。
下午四点，日军已占领金陵城的部分区域，但在新编二十八军的顽强抵抗下，未能继续推进。中华门、下关的防线重新稳固，城内的日军被压缩在光华门至中山门的街道上，与新编二十八军展开巷战。溃散的友军被收容了三千余人，其中两千余人愿意继续作战，补充到各阵地，增强了防御力量。