第六師團在連續數日的進攻之後，雖然傷亡慘重，但是，取得的進展卻微乎其微，只把戰線勉強向前推進了不到500米遠就再也不能移動分毫。由於連續作戰，兵力和武器彈藥的消耗非常巨大，已經到了無以為繼的地步。第十軍的第18師團由於需要守備從杭州到南京的交通線，保證補給線的安全，把部隊全部分散駐守在沿途的湖州、廣德、蕪湖等城市，無法支援前線的作戰。第114師團雖然擊退了保衛雨花台的教導總隊，控制了一個制高點，但是自身的傷亡也非常慘重，從光華門轉進市區後立即被第87師的巷戰部隊死死拖住，再也無法前進一步。這時候，第十軍的兵力幾乎全部投入了戰場，司令部手裡的預備隊只剩下國崎支隊，沒有能力突破守軍的防線。柳川平助無奈之下，只好向方面軍司令部求助，希望上海派遣軍突破守軍的防線，佔領鐘山陣地，突入市區。
由於松井石根抱病在身，日本大本營認為不適宜同時擔任華中方面軍司令和上海派遣軍司令，於是派朝香宮鳩彥王接任上海派遣軍司令，此人是個日本軍國主義和種族優越論的狂熱支持者，又沒有經歷過上海戰場的慘烈戰鬥，所以非常狂妄自大。上任之後，朝香宮鳩彥王立即命令所部的四個師團猛烈攻擊紫金山陣地，力圖在第十軍的前面把太陽旗插在中國的總統府上。
南京的地理位置優越，地形獨特，三面環山，一面臨水，依鐘山而傍長江，東面和南面是以鐘山為主體的寧鎮山脈為屏障，鐘山以西又有富貴山、五台山和清涼山，滾滾長江從市區的西北面流過。城內外多低矮的山丘，山環水繞河湖相連，歷來為兵家必爭之地。
作為南京屏障的鐘山又名紫金山，是江南茅山的余脈，東西長約七公里，南北寬約三公里，面積約二十多公里，蜿蜒起伏，形若游龍，所以古人之為『鍾阜龍蟠』。由於山上有紫色頁岩層，在陽光的照射下，遠遠望去只見紫金生輝，所以又被人們稱為紫金山。山體的平均海拔在160米以上，主峰位於北面，叫頭陀嶺，海拔468米，次高峰在東南方向，叫小茅山，海拔360米，中山陵就在其南路，第三峰位於西南方向，由於太平天國曾經在山上修築天堡城，所以叫做天堡山，海拔250米。
戰鬥首先在紫金山的東麓爆發，日軍第3師團集中了兩個步兵聯隊的兵力猛攻老虎洞陣地。負責防守這裡的中國軍隊是第88師高山峻團，見識過十九路軍構築陣地的高山峻，利用敵人發起攻擊前的時間把陣地前面全部削成接近九十度的陡坡，並且連續布下三道鐵絲網，達到遲滯日軍的目的。
1月6日拂曉，日軍首先出動十幾架轟炸機把幾十顆炸彈投擲在中國軍隊的陣地上，接著炮兵開始了長達十五分鐘的炮擊。在連續的爆炸聲中，山頂的樹木和植被全部被燒成灰燼，只留下滿地的焦土，散發出陣陣的濃煙。
山地作戰，無法用坦克支援，步兵只好單獨進攻。日軍士兵彎著腰，沿著崎嶇不平的山坡向上進攻，掩護部隊用密集的火力壓制守軍的阻擊。隨著距離的接近，坡度越來越陡，到最後幾乎無法站立，只得用梯子前進。面對著蝸牛般運動的日軍，守軍毫不客氣地用密集的彈雨迎頭痛擊，日軍接連不斷地在斜坡前和鐵絲網邊倒下，堆積起厚厚的屍體。
進攻受挫之後，日軍再次出動飛機，把守軍的陣地淹沒在火海當中，大口徑火炮的炮彈傾瀉而下，把一道道鐵絲網炸得四分五裂，平滑的斜坡上也布滿巨大的彈坑，為步兵掃清了前進的障礙。
隨後，日軍步兵在大炮的掩護下，反覆突擊守軍陣地，高山峻團則依託堅固的攻勢迎戰，與敵人展開激戰。日軍仰仗兵力的優勢，不斷把新的部隊投入戰場，和守軍拼消耗。高山峻團雖然給敵人極大的殺傷，但是隨著自身傷亡的增加，火力的密度逐漸減弱，火力網出現多處空缺，日軍開始逼近到陣地的前沿。守軍利用半自動步槍和手榴彈果斷反擊，一次次把日軍擊退。經過整天的激戰，日軍傷亡近千人，而高山峻所部也有幾百人失去了戰鬥力。
當天晚上，幾百名日軍乘著夜色的掩護，偷偷爬上山坡，突入守軍陣地，展開白刃格鬥。高山峻部猝不及防，被敵人打亂了陣腳，還沒有反應過來，日軍的後續部隊已經遠遠不斷地沖了上來，眾寡懸殊之下，守軍只好向第二道防線退卻。
凌晨四點，高山峻率領敢死隊逆襲日軍，經過幾十分鐘的激烈戰鬥又把陣地奪了回來。天亮之後，日軍照例出動飛機轟炸，高山峻卻讓士兵做了一面巨大的膏藥旗平鋪在陣地的邊緣，使飛機無法確定目標，只好飛回機場。
惱羞成怒的朝香宮鳩彥王不顧一切地命令部隊全線進攻，妄圖一舉突破陣地。1月7日這天，整個紫金山上空始終籠罩著濃濃的硝煙，滿山遍野都是槍炮聲、喊殺聲。第88師依託堅固的工事，頑強抗擊日軍的攻擊，戰至晚上，包括三大主峰在內的陣地全部安然無恙，日軍雖然付出了傷亡兩千人的代價，卻只佔領了一些無關緊要的陣地，始終沒有取得突破性的進展。
南路軍和北路軍的攻勢同時受阻，作為方面軍司令的松井石根異常焦急，一面督促陸軍航空兵持續轟炸南京的戰略目標，給步兵戰場支援，一面與海軍交涉，請求他們出動軍艦封鎖長江，徹底切斷中國軍隊和江北的聯繫，使其再也得不到補充。
南京衛戍司令部的下屬部隊都經歷過淞滬會戰，具有較高的防空意識，再加上南京是中國的首都，防空設施非常健全，而市區的居民已經大部分疏散到了江北，所以空襲的效果非常不理想。與此同時，海軍的艦艇也遇到了威脅。由於南京處於長江的彎曲部，江面不寬，布置在幕府山江防要塞裡面的幾門口徑超過兩百毫米的要塞炮不放過每艘試圖通過的日本軍艦，在沒有徹底摧毀這個要塞之前，艦艇根本無法執行封鎖任務。
激戰了半個月之後，松井石根指揮的日本華中方面軍20餘萬人被孫百里指揮的南京衛戍部隊死死地拖在南京城下，再也不能移動分毫，戰局開始出現了變化！