南京濱臨長江，是水路與陸路交通彙合處，北據長江之險，南扼東南各省之咽喉，曆來是兵家必爭之地。武昌起義之前，南京駐有新軍第九鎮，由徐紹楨統領。並有舊軍的江北防營和江寧巡防隊等，由江南提督張勳統領。新軍第九鎮的許多官兵曾受革命黨人的影響而傾向於革命。廣州起義中的趙聲就曾經是該鎮的一位統帶（團長），武昌義旗一舉，第九鎮以統製徐紹楨為首的官兵立即向革命轉化。
11月7日新軍第九鎮就曾響應武昌起義，從駐地秭陵出發進攻南京，但由於子彈配備過少而失敗，然後退駐鎮江。鑒於南京地理位置十分重要，革命黨人認為攻克南京是發展革命的首要任務。於是宋教仁等革命黨人在上海召集緊急會議，決議策動組織由江蘇、浙江、上海等地革命黨人組成江浙聯軍，推舉徐紹楨為總司令，準備再次進攻南京。並在鎮江建立江浙聯軍司令部，總兵站設在上海。隨後電請光複各省派兵增援，先後到達鎮江的援軍有：洪承點所率滬軍1000人，黎天才所率粵軍600人，劉之潔所率蘇軍3000人，朱瑞所率浙軍3000人，再加上林述慶、柏文蔚所率鎮軍（新軍原駐鎮江部）等，共14000多人。
清軍在南京城郊駐有張勳的江防營約6000人，王有宏的巡防營約6000人，徐州鎮胡令宣部2000人，督署衛隊2000人，旗營兵3000人，共約2萬人左右，略多於革命軍，而且武器裝備優於革命軍，但軍心渙散，戰鬥力並不強。
江浙聯軍組成後，即商討攻城計劃。經研究確定，聯軍主攻方向是紫金山上的天保城，天保城是南京的製高點，拿下它即可居高臨下，使整個南京控製在火力範圍之內。革命軍的另一部進攻雨花台以牽製敵軍。具體部署是，主攻分三路進軍：鎮軍擔任中路進攻天保城，浙軍擔任左翼向幕府山進攻，粵軍擔任右翼沿滬寧鐵路向烏龍山進攻，兩翼配合中路占領天保城。蘇軍進攻雨花台，滬軍為總預備隊，淮軍和揚軍執行江防警衛任務，海軍遊弋高資一帶江麵，掩護陸上進攻。
11月25日，江浙聯軍向南京發起總攻擊。鎮軍主攻天保城，天保城駐有江防兵一營，旗兵4000人，炮10餘門，機槍4挺，兵力不算多。但天保城城堡險峻，屢攻不克，革命軍傷亡甚重。在粵軍攻下烏龍山後，立即與浙軍合力攻幕府山炮台，11月29日拂曉兩軍聯合攻下幕府山炮台。隨後粵、浙兩軍又與鎮軍圍攻天保城，12月1日終於將天保城攻克。在戰鬥中革命軍爭先恐後，衝鋒陷陣，殲敵1000多名，俘虜敵人數千名，清軍巡防營首領王有宏騎馬督戰，被浙軍擊斃。在天保城酣戰之際，蘇軍攻克雨花台。至此革命軍大獲全勝，南京重要據點全部被江浙聯軍占領，南京城中之敵已是甕中之鱉，唾手可得。
但頑固的清軍首領張勳拒不投降，企圖負隅頑抗，於是聯軍用大炮轟擊清軍了望台太平門和張勳的指揮部所北極閣，炮聲一陣緊過一陣，清軍傷亡慘重。這時兩江總督張人俊、江寧將軍鐵良和張勳見南京固守無望，便通過洋人佯裝向革命軍投降。正在交涉受降事宜之時，乘革命軍不備，張人俊、鐵良逃到下關乘日本兵艦逃往上海。張勳則率2000人經下關、浦口向徐州逃竄而去。12月2日巡防營統領張聯升率清軍殘部，開城投降，江浙聯軍勝利進入南京城，全城光複。
南京光複時正是漢口、漢陽相繼失守後的第六天。綜觀革命鬥爭全局，雖然漢口、漢陽已陷入敵手，但又出現了新的革命中心南京，而且革命力量在整體上又有所增長。江浙聯軍之所以能攻克南京，主要原因是聯軍各部能緊密配合，攻天保城便是最好的戰例。其次，聯軍的戰略戰術也運用得當，主攻天保城，拿下天保城後整個南京便控製在自己手中。但聯軍沒有識破張人俊等人的詐降詭計，致使未能全殲南京守敵。