而就在12月7日凌晨，卫戍司令部决定由宋希濂第36师抽兵一团配属战车防御炮等前往协同作战，同时决定第41师从北面出动，第66军从南面出击，向孟塘、大胡山间凹地围攻，准备在晚上布置完毕，等待拂晓举行反攻。另一方面，固守镇江的第71军261旅及第156师也调动主力，向南京转进，冲击孟塘敌之侧背，以减轻南京之威胁。同时已在7日清晨到达南京的第48师当即开往杨坊山、乌龙山之线占领阵地，赶筑工事。
然而就在部队展开的时候，却因为协调不力、通讯困难，各部未能同时进展，使原计划落空，而日军却在大胡山增援。天亮之后，日军第16师团随即在猛烈炮火掩护下向南京外围第一线主阵地开始攻击。这天东昌街的第154师依然在攻击前进，但该部却在抵达白兔镇、行乡镇附近，突接汤山紧急消息，就半途中止。同时在龙潭、拜经台、保国山之线也发现日军，南京的情况越来越是危急。
12月7日，日军参谋本部下达《大陆命第二十四号》，下令华中方面军司令官在攻占南京后，协同海军担任确保大致包括杭州、宁国、芜湖以北的扬子江右岸地区各要地，同时须以航空部队继续攻击以上地区之外的敌方要地，随着形势的发展，需集结控制兵力，以便大本营使用。这是攻占南京后方面军司令官的基本任务。
同一天，华中方面军司令部通告了《攻占南京城要领》要求在南京守城司令官或市政府当局尚留在城内情况下，迫使中国军队开城投降。此时各师团应各选派步兵1个大队为基干，先入城，在城内分地区进行扫荡作战。在中国军仍据城进行抵抗的情况下，应将到达战场的全部炮兵展开，进行炮击夺取城墙，各师团以步兵1个联队为基干的部队进入城内进行扫荡。上海派遣军负责的城门为：中山门、太平门、和平门。第10军则负责：共和门、中华门、水西门。
从这一天开始，日军全面开始向南京外围第一线防御阵地进攻，并命令在突破该阵地后，继续向南京城复廓阵地攻击。随着命令的下达，日军开始以重炮猛烈轰击南京城，南京城内外顿时一片烟火。面对着日军的猛烈进攻，南京卫戍长官司令部下令将从镇江刚刚撤回的第71军控置于第74军和第66军结合部后方的高桥门一带，36师以预备第2团配属战车连协同第66军、第41师向突入汤水镇的日军进行反击，其中第66军以一部兵力从汤山镇由南向北、第41师以一部兵力从乌龙山由北向南、第36师预备2团配属战车连（欠1排）从麒麟门由西向东，三路同时对突入胡塘、大胡山附近之敌实施合击。
但是日军后续部队已经到达，已从突破口投入战斗，并抢先向66军、41师阵地猛攻，第66军汤山镇阵地和第41师栖霞山阵地均遭日军猛烈攻击，因此反击企图无法达成，预备第2团只得在东流以西、以南一带抢占有利地形转入防御，抗击已占领复兴桥日军的进攻。
在占领汤水后，第16师团长中岛今朝吾中将下令以助川静二大佐的步兵第38联队、野田谦吾的步兵第33联队的一个大队，经紫金山北麓向下关江边进击。而片桐护郎指挥的步兵第9联队、大野宣明指挥的步兵第20联队、步兵第33联队的两个大队，则由紫金山南麓进攻中山门。两路兵力直接对南京南北形成了钳击之势。
战斗持续至午后时分，第66军第159师炮击了日军第16师团设在汤水炮兵学校内的师团司令部，第16师团长中岛今朝吾中将当即被炸伤左腿。
有趣的是中岛今朝吾本人就是炮兵出身，1903年11月毕业于日本陆军士官学校第15期炮兵科，翌年3月授予炮兵少尉军衔，还曾被日本陆军派去法国留学，虽然不能说是“炮兵之花”，但是至少对于炮兵的运用有一定的心得。但是在南京外围作战之中，中岛今朝吾中将竟然把自己的师部设在了汤山作厂言家村——中国陆军汤山炮校所在地，可以说有些过于狂妄了。
12月7日下午，日军第16师团刚刚抵达汤山作厂言家村，便遭到了炮击。而中岛今朝吾负伤之后，第二天第16师团师部竟然还不知转移阵地，再度遭到中国军队迫击炮的轰击。第16师团后勤参谋木佐木久在12月8日的日记里写道：
我师团和炮兵旅团司令部就住在支那军队引以为豪的炮兵学校里。今早8时左右，突然连续落下数枚敌军的迫击炮弹，炸伤十几人，炸死7匹马。炮弹落在校园里，离我们只有50米左右。场面极为惨烈。对支那军队来说，准确击中自己的庭园、自己日常训练的场地，当然是举手之劳。如果炮弹的数量再多一些，师团中枢大概就全报销了。昨天也好，今天也罢，都会成为本次作战中最为壮烈的场面。
其实狂妄的又何止是师团长中岛今朝吾一个人。日本陆军第16师团虽然在“常设”师团之中属于小字辈，1905年才在京都编成。但是官兵主要来自京都、三重县和奈良县，因此又称为“京都师团”。由于来自昔日的日本政治中枢地带，所以备受日本陆军高层的宠爱。装备精良，兵员满员，战斗力较强，在编成的当年即参加了日俄战争。
卢沟桥事变爆发后，日本开始了全面侵华战争。为此，日本进行了战争动员，开始大量征兵，作为甲等师团的第16师团也由平时的18000人扩充到战时的约25000人。1937年9月，第16师团在天津塘沽港登陆，编入日军华北方面军第2军战斗序列。而此时平津地区的主要战斗已接近尾声，所以第16师团抵达战场之后，只是参加了子牙河等地区的追击战。
而随后第16师团被编入上海派遣军战斗序列，由华北调往上海。但是还没等第16师团抵达上海，上海方面的战斗已基本结束。因此第16师团表面上虽然转战了两个战区，始终未经恶战，但是一路讨了不少“便宜”。对于一向忽视后勤补给，甚至有“辎重兵也算兵，蜻蜓也能变老鹰”之说的日本陆军之中，由于进军速度太快，补给跟不上几乎是家常便饭。于是在从上海进军南京的沿途，中岛今朝吾便下令就地“征收”粮秣，所谓“征收”，实际上就是掠夺。
因此在常熟、苏州、无锡、常州、丹阳一线，第16师团与其说是在战斗，不如说是在明火执仗的“劫掠”。所以木佐木久才会把师部遭到炮击一事形容为“惨烈”。而12月9日，上海派遣军司令部也跟着迁至汤水镇以北约1公里的中国陆军弹道研究所（当地称为“大楼”）内。骄横的日军做梦也没想到，在南京攻防战中，汤水镇将会在此后成为两军混战的漩涡。