根据日军前下士栗原吏一对该事件的记载，日军当时解除了数千名囚犯的武装，抢光他们身上除衣服和毯子之外的所有物品，然后将他们赶到一排临时搭建的草棚中。12月17日，当接到处决这群囚犯的命令后，日军极为谨慎地执行这一任务。当天早晨，日军宣布他们要把这些中国战俘转移到长江中心一个叫八卦洲的小岛上。他们对这些战俘解释说，他们的这次行动需格外谨慎，于是将俘虏的双手反绑到背后——仅这一项工作就花费了整整一上午和大半个下午的时间。
在下午4~6点之间，日军将这些战俘分成四个纵队，带他们向西行进，绕过几座小山后在江边停下来。“在经过了三四个小时的等待之后，战俘们都不知道发生了什么事，也没看到任何准备过江的迹象。”栗原吏一写道，“天色渐渐暗了下来。他们并不知道……日本士兵已经沿江对他们形成新月形包围圈，许多机关枪已经对准了他们。”
当处决行动开始后，中国人想逃已经来不及了。栗原吏一写道：“突然之间各种枪支同时开火，枪声和绝望的呼喊声交织在一起。”中国人在绝望中痛苦地挣扎，1小时后，人群终于变得悄无声息。之后日本士兵开始用刺刀逐个砍刺尸体，从夜晚一直持续到天亮。
如何处理尸体对日军来说是个难题。在幕府山大屠杀中，死亡人数只占日军在南京城内外屠杀人数的一小部分，但清理尸体的工作也持续了好几天。
将尸体掩埋是一种办法，但中岛将军在日记中抱怨很难找到可供掩埋七八千具尸体的巨大壕沟。将尸体火化也是一种办法，但日军通常缺乏足够的燃料。例如，幕府山大屠杀之后，日军在尸堆上浇了几大桶汽油想将其焚化，但还没等到尸体化为灰烬，汽油就用完了。“结果是剩下一大堆被烧焦的尸体。”一位日本下士写道。
于是，许多尸体被直接抛入长江。
屠杀平民
当中国士兵全部投降之后，实际上已经没有人保护这座城市的平民。日本人很了解这一点，于是12月13日，日军蜂拥入城，迅速占领政府大楼、银行和仓库，并在大街上肆无忌惮地开枪杀人。许多人在逃跑时从背后遭到射杀。日军使用机关枪、左轮手枪和步枪，向聚集在中山北路和中路以及附近巷弄的伤兵、老妇和儿童开火。日军还在城市的各个角落屠杀中国平民：无论在大街小巷、在防空洞和政府大楼，还是在城市广场上，他们到处杀人。一个个受害者尖叫着倒在日军铁蹄下，痛苦地呻吟着，这座沦陷之都的大街小巷处处血流成河，其中许多鲜血来自那些奄奄一息、无力逃跑的人。
当日军在南京挨家挨户地搜寻中国士兵时，他们也有组织地屠杀了这座城市的居民。除此之外，他们还屠杀南京市郊和附近农村的中国人。无论在城墙外、在长江边（江水已被鲜血染红），还是在池塘或湖边、在山丘上，到处尸体成堆。在南京附近的村庄，日军会因怀疑路人曾经当过兵，而向任何年轻男子开枪。日军还杀害那些不可能是中国士兵的人，如老人和妇女，只要他们对日军用日语发出的“这边走”或“那边走”的命令表示犹豫或不解，就会惨遭杀害。
在12月的最后10天里，日军的摩托部队开始在南京巡逻，与此同时，荷枪实弹的日本士兵把守着所有街道、大路和小巷的入口。日军挨家挨户地要求市民打开大门欢迎胜利之师。然而店主刚一顺从，日军立即向他们开火。日军用这种方式屠杀了数以千计的市民，然后有计划地洗劫了他们的商店，并将那些对自己没用的东西付之一炬。
日本记者
这些暴行也使许多随军到南京的日本记者震惊不已。《每日新闻》的一名记者亲眼看到，日军让中国囚犯在中山门附近的城墙顶上站成一排，然后用步枪上的刺刀向他们猛刺过去，这一情景让他惊恐万分。这位记者写道：“囚犯们一个接一个地摔落到城墙外，鲜血四溅。这种阴森的气氛不禁让人毛骨悚然、四肢发抖。我茫然地站在那里，不知所措。”
不止他一个人有这种反应，许多记者（甚至是经验丰富的战地记者）也对这种毫无节制的暴力行为感到恐惧，于是他们将自己强烈的感受付诸笔墨，公开出版。一位日本随军记者今井正冈写道：
在下关码头，尸体堆成了黑乎乎的小山。50~100人在那里干苦力，将尸体拖下来抛入长江。尸体还滴着血，甚至有人还活着，四肢抽搐，并发出微弱的呻吟。苦力们一声不吭地忙碌着，仿佛在演一出哑剧。黑暗中，人们几乎看不到长江对岸。但在幽暗的月光下，码头上竟然有一大片闪着微光的泥迹。天啊！那里全是血！
过了一会儿，苦力们已经将所有尸体都投入长江，于是日本士兵让他们沿江站成一排。然后我听到了机关枪“砰砰砰”的响声。苦力们向后倒去，跌入长江，被汹涌的怒涛吞没。哑剧到此结束。
据现场的一位日本军官估计，这次大约有2万人被杀。
日本随军记者小俣行男曾经目睹中国战俘被带到下关后排着队沿江站立的情景。他写道：
第一排先被砍头，第二排的人被迫将这些无头尸体投入江中，然后他们自己也人头落地。屠杀一直从早上持续到夜晚，但日军用这种方式只杀了2000人。第二天，他们就厌倦了这种杀人方式，于是便架起机关枪。其中两挺机关枪以交叉火力向排成队的战俘扫射。“砰！砰！砰！砰！”扳机扣动了。战俘们纷纷跳入长江逃命，但没有一个人能成功游到对岸。
日本摄影记者河野公辉写道：
在举行“入城式”庆典之前，我看到长江上有50~100具浮尸顺江而下。他们是在战斗中阵亡，还是投降后被杀？抑或他们是惨遭屠戮的平民？
我记得南京城外曾有一个小池塘，它看上去就像一片血海——色彩绚丽、凄艳绝伦。如果我有彩色胶卷就好了……那将是一张多么震慑人心的照片啊！
另一位在南京的日本随军记者佐佐木元政评论道：“我曾在东京大地震时见过成堆的尸体，但那根本无法与南京的惨状相比。”
**妇女
接下来，日军开始将注意力转向妇女。
“妇女遭受的苦难最为深重。”日军驻南京第114师团的一名士兵田所耕三回忆说，“妇女不论老幼，都逃脱不了被**的命运。我们从下关派出运煤车，到南京的大街小巷和附近村庄中抓回许多妇女。然后我们将每个妇女分配给15~20名日本士兵，任由他们**凌辱。”
仍然健在的日本老兵称，日军曾正式宣布**敌国妇女为非法行为。然而，强奸在日本的军事文化和迷信中有着根深蒂固的影响，因而没有人认真执行这项规定。许多人相信强奸处女能够让他们在战斗中表现更神勇，有些士兵甚至随身佩戴着用受害者的**制成的护身符，他们相信这些护身符具有使他们免于受伤的魔力。
军队禁止强奸的政策只是起到了鼓励士兵在强奸妇女后将她们杀死的作用。在为拍摄纪录片《以天皇的名义》所进行的一次采访中，日本老兵东史郎直言不讳地谈到日军在南京实施强奸并将受害者杀害的过程：
我们先是对她们说一些**的话，像是“屁看看”，意思是“让妇女张开大腿看她们的私处”。那时，中国妇女不穿内裤，只穿外裤，然后用一根细绳系住，她们不用腰带。所以我们只要扯掉细绳，她们的臀部便暴露无遗，于是我们就“屁看看”。我们先将她们调戏一番，然后就会有人说“今天该我泡澡”之类的话，**开始了。如果只是强奸她们的话，倒也没什么。当然我不该这样说。我们通常都会将她们刺死，因为死人不会告发我们。
当谈到这个问题时，田所耕三同东史郎一样坦率。“强奸后，我们还要杀死她们。”他回忆说，“强奸后只要一放开她们，有些妇女就会拔腿而逃。于是我们就‘砰’的一枪从背后射击，将她们解决掉。”仍然健在的老兵回忆说，许多日本士兵对此没有丝毫负罪感。“或许在强奸时，我们把她看作一个女人。”东史郎写道，“当杀掉她时，我们只是把她当作猪一般的动物而已。”
不仅士兵如此，各级军官也都荒淫不羁。（甚至连日军第6师团团长谷寿夫这样的高级将领，后来也被发现在南京对大约20名妇女犯有强奸罪。）一些军官不仅怂恿士兵在南京城里**妇女，还告诫他们事后要将这些妇女处理掉，从而销毁罪证。“完事后要么给她们钱，要么在偏僻处将她们杀掉。”一位军官曾这样提醒下属。
松井石根到来
1937年12月17日上午，松井石根来参加庆祝占领南京的阅兵式，日军在这座城市的杀戮和强奸才略有收敛。松井石根大病初愈，肺结核的折磨使他仍显得很虚弱。他先是乘坐海军的汽艇溯江而上，然后换乘轿车来到南京城东中山门的三孔拱门处。他在那里骑上一匹栗色骏马，调转马头朝向东京天皇宫殿的方向，对着日本国家广播公司领呼三声天皇万岁：“天堂之阶最伟大的元帅——万岁——万万岁！”之后他策马驰向一条大道，路上的死尸已经被仔细清理干净，成千上万的士兵夹道欢迎他。松井最后到达城北的大都会饭店，当晚日军在那里为他举行了欢迎宴会。
据记载，松井在宴会期间已经开始怀疑在南京发生了极端可怕的事情，他当晚就召开参谋会议，并命令所有非军事所需的部队全部撤出南京。第二天，西方新闻媒体报道说，日军内部正在实施一个守口如瓶的大阴谋，以防松井石根知道南京暴行的全部真相。
当松井石根了解到日军在南京实施强奸、屠杀和劫掠的严重程度后，看得出来他极为沮丧。1937年12月18日，他对自己的一位文职助手说：“现在我了解到，我们已经不自知地给这座城市带来最深刻的痛苦与创伤。每当想到我的许多中国友人逃离南京时的悲愤和感伤之情，以及两国关系的未来，我不禁感到灰心丧气。我觉得自己很孤独，而且永远都不可能对这次胜利感到欢欣鼓舞。那天上午，松井甚至在对媒体发表的声明中流露出一种遗憾的情绪：“我本人对民众所遭受的苦难深感遗憾，但如果中国不改变政策，皇军仍然必须继续留驻。现在是冬天，这个季节给了中国领导人反思的时间。我本人对100万无辜民众不胜同情。”
当天晚些时候，这位日军指挥官在为此次侵华战争中死去的士兵主持慰灵祭时，松井就日军在南京实施的疯狂暴行斥责了在场的300名军官、师团指挥官和其他相关人员。一位日本记者松本写道：“以前从未有过一位上级军官对下属进行过如此严厉的训诫。日军对松井的行为表示难以置信，因为在场的军官中有一位皇室的亲王。”
12月19日是周日，松井搬到南京城外朝香宫的司令部，第二天便登上一艘驱逐舰返回上海。然而，或许是受绝望情绪驱使，松井一回上海就做出了更惊人的举动：他对《纽约时报》吐露了自己的担忧，甚至对一位美国记者说“日本军队或许是当今世界上最无法纪的军队”。当月，他还给朝香宫亲王的参谋长发过一条不客气的信息，他写道：“有传言说不法行为仍在持续，正因为朝香宫亲王是我们的指挥官，日军才应该更严格地遵守军纪和道义。对任何违法乱纪者都应严惩不贷。”
1938年1月1日，松井仍因日本士兵在南京的恶劣行径而郁郁寡欢。在一次祝酒时，他向一位日本外交官吐露了自己的苦闷：“我的部下犯了严重的错误，这令人极度懊恼。”
然而**和屠杀仍在继续，对此松井石根似乎无力阻止。如果数年之后松井在法庭上的供述可信的话，他对南京的这次短暂访问甚至使他在其同僚面前伤心落泪。“慰灵祭仪式结束之后，我立即召集高级军官训话，甚至在他们面前流下了愤怒的泪水。”1948年被处以绞刑之前，松井对他的佛教忏悔法师说，“当时朝香宫亲王和柳川中将都在。我斥责他们说，由于日本士兵的暴行，我们的一切战斗成果都化为泡影。可是你能想象吗？这件事之后，那些实施暴行的士兵竟然嘲笑我。”
慰安妇
发生在南京的大规模**案件导致了一个极为荒诞的后果，那就是日本政府面对西方国家铺天盖地的抗议和反对所采取的应对方式。日本最高统帅部并不阻止或惩罚施暴的士兵，而是谋划建立一个庞大的地下军妓系统，将魔爪伸向亚洲千千万万的妇女。日本中央大学著名历史教授吉见义明说：“由于在上海和南京的战争中发生了大规模**案件，日本害怕来自中国、美国和欧洲国家的批评，于是日本华中方面军发布命令，要求在战争期间修建慰安所。”