影片是从1937年的12月，南京城破开始。尽管有大批的国民党士兵溃逃出城，但与此同时，也仍然有大量不愿意投降的士兵留了下来，在这座城市的街头巷尾展开了无望而惨烈的抵抗。其中就有国民党精锐部队一员的陆剑雄(刘烨)。 在抵抗最终失败之后，在数十万中国人的鲜血终于染红长江之后，南京全城沦为一片死地。
唯一尚有生机存留的，就是位于金陵女子学院的"安全区"。在这里，大量的难民因为拉贝的"纳粹"身份而暂时获得了喘息的机会。而实际主持安全区难民工作的，则是拉贝的秘书唐先生(范伟)和归国女教师姜淑云(高圆圆)。
但是，在日军的眼中，所谓"安全区"，只不过是一个囤积了大量女性资源的"仓库"。而拉贝的德国人身份，在强势的日本军队面前，也只不过是一块随时可以扯去的遮羞布。而中国的女人们，则用她们的身躯不仅仅拯救着隐藏在难民营的男人，也在拉贝面前书写了一段中国人坚强的历史。
日本军人的形象塑造，是这部电影的一大突破。作为占领者的他们，当然可以享受某种意义上的正常生活。但是，在南京这座战争因素被极端放大的城市中，即使是占领者，即使面对的只是别人的屈辱和死亡，也仍然难以逃避自身的灵魂震荡甚至拷问。
角川(中泉英雄)是日本十六师团的一名普通士兵。被队友称为"读过书的人"的他，敏感、涉世未深，甚至在参战之前都还没有交过女朋友。而他的同乡队长伊田(木幡龙)，则已经是一名老兵，一名职业军人。在南京城作为占领者的"生活"中，体验过种种为了维持这种"生活"而付出的人性的代价。角川最终做出了他的选择：他把两名中国幸存者送出了南京城，然后举枪自杀。
《南京！南京！》很大胆的一点是，陆川没有按惯例用一条贯穿的个人命运情节线来组织全片，而且用的是一个参战的日本兵角川的视角来审视和判断所发生的一切。
