在日军的作战重心还放在华北战场之时，国民党军事当局就决定以上海为对日作战的主战场。蒋介石先后调集并指挥７０万兵力进行淞沪会战。中国军队广大官兵不畏强敌，浴血奋战，打得十分顽强。在上海市区的华德路口，中国军队第三十六师第二一五团第二营３００余名官兵与敌展开白刃格斗，最后全部壮烈牺牲。在１９３７年８月１４日至１６日的上海空战中，中国空军英勇作战，创下击落敌机４５架的战绩。中国共产党在上海地区的组织（１９３７年６月，中共中央派刘晓到上海恢复和重建党的组织，成立中共上海三人团［刘晓、冯雪峰、王尧山组成］，作为上海党组织的领导机关。１１月，经中共中央批准，成立中共江苏省委［刘晓为书记］）和八路军办事处，根据中共中央指示，广泛开展统一战线工作，积极推动上海各界、各阶层民众组织抗日救亡团体和战地服务团，掀起轰轰烈烈的抗日救亡运动，给国民党军队的作战以有力的支援。８月２３日，日军在川沙河口、狮子林、吴淞一带强行登陆。中国守军拼死抵抗。９月４日至７日，守卫宝山的姚子青营５００多名官兵击退日军数次冲击，最后多数壮烈牺牲。１０月下旬，据守苏州河北岸四行仓库的谢晋元等八百壮士孤军奋战四昼夜，杀敌数以百计，后突破敌重重包围，退入英租界。日军参谋本部鉴于战局进展缓慢，不断向上海地区增兵，先后投入兵力达２０多万。１１月５日，日军第十军乘隙在杭州湾北部金山卫登陆，从西南面迂回包围上海，市区苏州河南岸的阵地也被日军突破。１１月８日，蒋介石鉴于守军腹背受敌，下令全线撤退，向南、向西转移。１１月１２日，日军完全占领上海。淞沪会战历时三个月，中国军队毙伤敌４万余人，打破了日本侵略者“速战速决”的计划。
日军占领上海后，立即转兵直逼中国的首都南京。国民党军队虽然在南京外围同日军进行了许多战斗，给予敌人一定的杀伤，但终究不能阻挡多路日军的猛烈攻击。１２月１３日，南京在一片混乱中被日军占领。在日本华中方面军司令官松井石根大将、上海派遣军司令官朝香宫鸠彦王中将和第六师团师团长谷寿夫中将等人的怂恿指挥下，日军在南京地区烧杀淫掠持续六周之久。中国平民和被俘士兵被集体枪杀、焚烧、活埋以及用其他方法处死者，达３０万人以上。同时，南京市三分之一的房屋被烧毁，几乎所有的商店被抢劫一空。日军进入南京市后的一个月中，发生约２万起强奸、轮奸事件，连不到１０岁的幼女和六七十岁的老妇都难以幸免。很多妇女被奸淫后又遭屠杀、毁尸，惨不忍睹。
南京变成一座尸横遍野、满目凄凉的死城。日军为掩盖罪行，严密封锁新闻，同时焚尸灭迹，消灭罪证。但仍有不少正义人士、国际友人和外国记者不顾生命危险，组成国际安全区和难民收容所，千方百计保护中国妇女和儿童，给受害者以人道主义的援助。同时，把亲眼目睹的日军暴行，通过日记、信件、新闻照片等形式记录在案，公布于世。《纽约时报》、《芝加哥每日新闻》等及时披露日军在南京的野蛮罪行，引起了全世界的震惊和谴责。１９３８年３月，澳大利亚人田伯烈编成的《外人目睹之日军暴行》一书，是较早全面记录南京大屠杀的历史文献。战后，经远东国际军事法庭及中国政府国防部审判战犯军事法庭认真地查证和确认，以及大量文献档案、目击者、受害人提供的人证和物证，充分地证明，日军在南京进行了有计划、大规模的集体虐杀，每次惨遭杀害者达数百、数千甚至数万人之多。南京军事法庭在南京大屠杀主犯之一谷寿夫的死刑判决书中确认：“二十六年十二月十二日至同月二十一日，亦即在谷寿夫部队驻京之期间内。计于中华门外花神庙、宝塔桥、石观音、下关草鞋峡等处，我被俘军民被日军用机枪集体射杀并焚尸灭迹者，有单耀庭等十九万余人。此外，零星屠杀，其尸体经慈善机关收埋者十五万余具。被害总数达三十万人以上。”南京大屠杀铁案如山，是日本帝国主义者对中国人民犯下的滔天罪行。
日本国内一些妄图为日本侵略战争翻案的右翼势力，极力否认南京大屠杀的事实，这是对历史的肆意歪曲和对人类良心的欺骗。事实上，日本侵略者烧杀淫掠的野蛮暴行，绝不限于南京的一时一地。卢沟桥事变后，日军制造了大量惨案，仅１９３７年至１９４０年制造的百人以上的大屠杀就达５００多起。例如在晋北，日军在３０天中连续血洗天镇、阳高、左云、灵丘、朔县、宁武、崞县等县城，屠杀无辜百姓１．６万余人。日军在杭州湾登陆后，一路烧杀，使无锡、苏州这些未设防的风景名胜古城，亦蒙受空前劫难。战争期间，日本侵略者为了制造精神恐怖，迫使中国人民屈服，还无视国际公法，对许多城镇的非军事目标（如商业区、居民区、文化区）进行狂轰滥炸。１９３８年５月２８日至６月９日，日军飞机连续对广州进行大轰炸，市民被炸死者近万人，伤者不计其数，许多商店、工厂、学校、医院以及著名的中山纪念堂被炸毁。日军占领南京后，强迫更多的中国妇女充当“慰安妇”。这一野蛮行径使许多中国妇女受尽凌辱和摧残，不少人死于虐杀和疾病。日军还在许多地区使用毒气和细菌武器，残酷地杀害中国军人和无辜平民。在整个侵华战争中，日军的上述暴行从未停止过。
