南京据长江天堑，扼鄂、皖、苏、沪交通，是东南重镇，历来为兵家必争之地。南京城内原驻有新军第九领（统制徐绍桢）7000人，另有江防会办、江南提督张勋的江防军、赵会鹏统率的江宁巡防军，王有宏统率的新防军等旧军2万余人。因武昌起义是由新军发起的，所以清政府对第九镇也不放心。两江总督张人骏和江宁将军铁良认为新军靠不住，因此不予补充弹药，并派江防营进行监视。10月31，张人骏又命第九镇限期从市内移驻距城30多公里的秣陵关，由江防营和巡防营负责城内防守，每人补充子弹500发。第九镇官兵对此愤愤不平，准备起事。第九镇移驻秣陵关后，张勋等派人监视，观察动静，并企图谋刺徐绍桢。徐绍桢下决心联络革命党人，发动起义。11月8日，第九镇誓师起义，分三路进攻南京城，但因子弹太少，守军工事坚固，进攻未能奏效。

11月9日，革命军弹药用尽，只得退往镇江。

第九镇进攻南京失败后，徐绍桢赴上海与革命党洽商。上海都督陈其美与江、浙各省起义将领集会，决定组织江浙联军，攻取南京，支援汉口、汉阳保卫战，发展东南各省的革命形势。会议推徐绍桢为总司令，设司令部于镇江，设总兵站于上海。下辖：宁军司令柏文蔚、镇军司令林述庆、苏军司令刘之洁、沪军司令洪承典、浙军司令朱瑞、淞军司令黎天才、沪军先锋队司令丁怀瑾等。11月15日至20日，各处革命军陆续集中于镇江及其西南地区，总兵力3.2万余人。联军的作战方案是先驱逐南京城外清军，夺取各要塞炮台，再攻取南京城。具体部署是以淞军为右翼，攻乌龙山及幕府山炮台；浙军为中路，由麒麟门进占紫金山，向朝阳门、太平门进攻；江苏军为左翼，经淳化镇向雨花台进攻；镇江军为预备队，随中路前进，攻天堡城；沪军担任警戒；海军配合陆军进攻，掩护、运载陆军登岸；镇江军一部与扬州军进攻浦口，断敌退路。

联军夺占外围各据点的战斗于1911年11月24日打响。

当日夜，右路淞军和一营浙江军，乘兵舰直趋位于城北的乌龙山麓，在守台官兵内应下，很快攻占炮台。25日晨，又攻占幕府山炮台，并从幕府山炮台发炮向清军北极阁司令部及狮子山炮台猛烈轰击。同一天，中路浙江军进至马群，击毙清军统领王有宏，攻占孝陵卫，前锋抵达紫金山一线。26日，清军反攻幕府山、孝陵卫，被联军击退。此时，左路江苏军也进展顺利，在占领上方镇、高桥门之后，进逼雨花台。至此，南京城外制高点大多为联军攻取。

11月27日，联军进行攻城准备。28日，中路浙江军向朝阳门发起攻击，左路江苏军进攻雨花台。清军在天堡城发炮轰击攻城革命军，顽强抵抗。进攻没有取得进展，第一次攻城遂告失败。为了迅速攻下南京城，联军司令部决定集中镇江军、浙军、沪军近两万人，合力进攻天堡城。另以江苏军一部进攻雨花台，作为牵制。天堡城位于紫金山半山腰，地势险要，上筑要塞炮台，有重炮10余门，机关枪4挺，由江防兵一营和旗兵400人防守。11月30日，联军向天堡城发起攻击，清军据险顽抗。在敌火炮和机关枪封锁下，联军伤亡较大，难以前进。联军随即组织敢死队，以一路从正面进攻，另一路从侧背进攻。第二次攻击开始后，敢死队冲锋，各军相继跟进。清军不支，遂佯作投降。联军信以为真，放松警惕。清军遂以枪炮猛烈还击，联军死伤千余人。革命军愤怒，冒死前进。经一夜激战，将天堡城守敌半数歼灭。联军控制了这一俯瞰全城的制高点后，即于次日凌晨用缴获的大炮向朝阳门、富贵山、太平门等处轰击，连连命中目标。此时，雨花台也被江苏军攻占。南京城处在联军火力威胁之下，城内清军军心动摇。张人骏、铁良当夜乘隙逃出，张勋也率部由汉西门逃出，经浦口逃往徐州，城内残存清军、旗兵仍不投降，以冷兵器和手榴弹向革命军展开自杀式进攻。12月2日，联军进入南京城。南京光复。

南京之战是清末最后一个重要战役。在此次战役中，江浙联军在数量上占一定优势，能在短短的几天内克复防守严密的战略重镇南京，取得重大胜利，其原因有如下几个方面一是由于来自不同地区的各支部队能够团结一致，在联军司令部的统一指挥下，协同作战，一致对敌；二是指挥得当，注意集中兵力各个攻占制高点，特别是主攻方向正确，全力攻克天堡城，迫使清军丧失守城的决心，从而比较顺利地夺取了南京城。

江浙联军攻克南京，对清政府和袁世凯是一个沉重打击，大大减弱了几天前北洋军攻陷汉口、汉阳的意义，对资产阶级革命派是个很大的鼓舞，开始扭转了革命军株守武昌的不利形势。从此，南京成为一个新的革命中心，为中华民国在南京建立临时政府奠定了基础。