Od pierwszych godzin wojny Warszawa stała się celem nalotów Luftwaffe. 1 września atakowały one m.in. lotnisko Okęcie i osiedle mieszkaniowe na Kole. W kolejnych dniach niemieckie bomby spadły na pozostałe dzielnice, niszcząc liczne budynki zamieszkane przez ludność cywilną. Pomimo bombardowań w pierwszych dniach wojny czynne były sklepy, działały elektrownia, wodociągi i transport miejski. W pierwszych dniach mieszkańcy stolicy wykazywali się dużym optymizmem. 3 września na ulicach miasta tysiące warszawiaków świętowały wypowiedzenie wojny Niemcom przez sojuszników – Francję i Wielką Brytanię.

Obrona Warszawy

Warszawy broniło ok. 50 samolotów myśliwskich PZL P.11 i P. 7 z Brygady Pościgowej płk. pil. Stefana Pawlikowskiego. Pierwszego dnia nad miastem zestrzelono kilkanaście maszyn wroga, jednak 6 września Brygadę ewakuowano na teren Lubelszczyzny. Wówczas stolicy broniły jedynie jednostki artylerii przeciwlotniczej, wspomagane przez tysiące cywilnych ochotników OPL (obrona przeciwlotnicza) i harcerzy. Każda kamienica miała własne pogotowie dbające o zaciemnienie, ewakuację mieszkańców do schronów, pierwszą pomoc dla rannych, wreszcie gaszenie pożarów za pomocą piasku i wody. O nalotach informowano przez Polskie Radio oraz syreny alarmowe.

Wieczorem 6 września stało się jasne, że postępy niemieckich oddziałów pancernych stanowią zagrożenie dla Warszawy. W planach Sztabu Generalnego nie uwzględniono jednak konieczności obrony miasta. Tym samym siły, który miały walczyć o stolicę, miały charakter improwizowany. Następnego dnia dowódca obrony Warszawy wydał odezwę do mieszkańców, w której wzywał do powrotu do „normalnych zajęć” oraz pomocy „wojsku mężną postawą oraz utrzymaniem ładu i porządku, by nie odrywać wojska od pracy bojowej”.

W nocy z 6 na 7 września ze stolicy ewakuował się Naczelny Wódz wraz ze sztabem, a także urzędy i ministerstwa. Miasto opuścili również dyplomaci. Szosy w kierunku wschodnim zapełniły się uciekinierami. Chaos ewakuacji doprowadził do pozostawienia w Warszawie znaczącej ilości broni. Organizatorzy obrony odkryli na Forcie Bema wiele dział i moździerzy, które stały się podstawą obrony przeciwpancernej. Wiele z nich na stanowiska obronne przeciągnęli warszawiacy.

Wraz z uformowaniem się dowództwa stolicy powstał również cywilny ośrodek koordynowania obrony z prezydentem Stefanem Starzyńskim, który 7 września odmówił ewakuacji. Następnego dnia został nominowany komisarzem cywilnym miasta. Przez kolejne dni walki niemal codziennie przemówieniami radiowymi zagrzewał do wytrwania i kontynuowania obrony. Z jego inicjatywy powołano Komitet Obywatelski przy Dowództwie Obrony Warszawy, skupiający przedstawicieli wszystkich ugrupowań politycznych od PPS, przez piłsudczyków, do narodowej demokracji.

8 września pierwsze niemieckie czołgi z 4. Dywizji Pancernej gen. Georga-Hansa Reinhardta dotarły do Okęcia. Odtąd miasto atakowały także artyleria i wsparte przez piechotę czołgi nieprzyjaciela. Do rangi symbolu urósł punkt oporu – barykada przy ul. Grójeckiej i Opaczewskiej, gdzie Niemcy stracili co najmniej kilkadziesiąt czołgów. Skuteczną bronią okazały się butelki z benzyną oraz beczki z terpentyną „Dobrolin”, które zatrzymały atak pancerny na Woli. W swoich wspomnieniach gen. Reinhardt wspominał, że epizod ten i skala poniesionych strat były szokiem dla niemieckich oficerów. „We wszystkich oczach panowała dumna radość przeżycia doniosłej chwili wkroczenia do stolicy nieprzyjaciela już w ósmym dniu wojny. Bez rozkazu załogi ozdobiły swe pojazdy rozpoznawczymi chorągiewkami ze swastyką. Nikt nie myślał o poważnej walce. Wielu widziało się już w hotelach i najlepszych kwaterach panami miasta” – pisał o nastrojach przed nieudanym atakiem z 8 września. Skutkiem tych nastrojów była podana wieczorem 8 września przez niemieckie radio fałszywa informacja o zdobyciu polskiej stolicy.

Zgodnie z założeniami linię obrony wyznaczały granice zwartej zabudowy miejskiej. Aż do ostatniego dnia defensywy oddziałom niemieckim udało się zająć wyłącznie przedmieścia. Wielką rolę w utrzymaniu tej linii odegrały barykady budowane przez żołnierzy i cywilów. Blokowały one główne arterie dojazdowe, m.in. ulicę Grójecką na Ochocie. Obronę wzmocniło też powołanie Armii „Warszawa” pod dowództwem gen. Juliusza Rómmla. W skład nowego związku weszła nie tylko załoga obrony miasta, ale również oddziały broniące się nad Narwią od Modlina po Zegrze, a także na Wiśle po Pilicę, wraz z Twierdzą Modlin.

Porażka bezpośredniego natarcia na Warszawę doprowadziła do zmiany taktyki oddziałów niemieckich. Przystąpiono do trwającego do końca oblężenia potężnego ostrzału Niemców. W kolejnych dniach ataki niemieckie zostały również osłabione na skutek ataku armii „Pomorze” i „Poznań” na skrzydło niemieckich sił nad Bzurą. Nieprzerwanie działało lotnictwo. Jeden z największych nalotów, przeprowadzony 10 września, został nazwany przez mieszkańców miasta „krwawą niedzielą”. Szczególne straty poniosły lewobrzeżne dzielnice. W dywanowym nalocie niemal całkowicie spłonęły drewniane zabudowania Bródna. Ostrzał artyleryjski nasilił się po 15 września, gdy stolica została całkowicie okrążona przez wojska niemieckie. W kolejnych dniach Niemcy dążyli do zacieśnienia oblężenia. Mimo szczupłości polskich sił stale organizowano wypady na pozycje niemieckie. Wyjątkowo istotne były te na północy miasta, skąd nadchodziły oddziały walczące nad Bzurą.

"Chciałem, by Warszawa była wielka. Wierzyłem, że wielka będzie"

23 września Stefan Starzyński wygłosił ostatnie, dramatyczne przemówienie radiowe do mieszkańców: „Chciałem, by Warszawa była wielka. Wierzyłem, że wielka będzie. Ja i moi współpracownicy kreśliliśmy plany, robiliśmy szkice wielkiej Warszawy przyszłości. I Warszawa jest wielka. Prędzej to nastąpiło, niż przypuszczaliśmy. Nie za lat pięćdziesiąt, nie za sto, lecz dziś widzę wielką Warszawę. Gdy teraz do was mówię, widzę ją przez okna w całej wielkości i chwale, otoczoną kłębami dymu, rozczerwienioną płomieniami ognia, wspaniałą, niezniszczalną, wielką, walczącą Warszawę. I choć tam, gdzie miały być wspaniałe sierocińce – gruzy leżą, choć tam, gdzie miały być parki – dziś są barykady gęsto trupami pokryte, choć płoną nasze biblioteki, choć palą się szpitale – nie za lat pięćdziesiąt, nie za sto, lecz dziś Warszawa broniąca honoru Polski jest u szczytu swej wielkości i sławy”.

W tym samym czasie do miasta, po krwawych bojach w Puszczy Kampinoskiej, przedzierały się ostatnie oddziały dowodzone przez gen. Tadeusza Kutrzebę. Wyczerpani, ale zaprawieni w bojach żołnierze wzmocnili obronę, ale stawało się jasne, że w obliczu fatalnej sytuacji militarnej w kraju obrona może potrwać najwyżej kilka dni. 25 września Luftwaffe przeprowadziło wielki nalot poprzedzający natarcie wojsk lądowych. Mimo dysproporcji sił postępy Wehrmachtu były jednak niewielkie. Decyzję o kapitulacji podjęto po zniszczeniu przez Niemców stacji pomp wodociągowych na Czerniakowie. Bez bieżącej wody nie dało się gasić pożarów. Przestała też działać elektrownia, a tym samym przerwała stałą pracę rozgłośnia Polskiego Radia emitująca poruszające przemówienia prezydenta stolicy.

W komunikacie z 27 września dowództwo obrony wydało komunikat uzasadniający podjęcie decyzji o rozpoczęciu rozmów kapitulacyjnych. „Mimo ogromu nieszczęścia duch ludności jest nieugięty. Broniący Warszawy żołnierze nie chcą opuścić swych stanowisk. […] Dowództwo obrony, nie chcąc powiększać bezgranicznych cierpień ludności cywilnej oraz wobec braku amunicji, zdecydowało się na zawarcie 24-godzinnego zawieszenia broni i wszczęcie rokowań nad warunkami oddania stolicy i Modlina” – stwierdzano.

28 września 1939 r. gen. Tadeusz Kutrzeba podpisał umowę kapitulacyjną w kwaterze gen. Johannesa Blaskowitza na Rakowcu. Niemcy zobowiązali się w niej, że polscy żołnierze nie zostaną pojmani, a do niewoli pójdą tylko oficerowie.

Miasto skapitulowało, lecz nie uległo: dzień wcześniej powstała konspiracyjna Służba Zwycięstwu Polski, zalążek Polskiego Państwa Podziemnego. W godzinach poprzedzających wkroczenie Niemców (które nastąpiło 30 września) prezydent miasta i jego współpracownicy zapewnili wielu oficerom rodzącej się podziemnej armii fałszywe dokumenty, które miały pozwolić im na przetrwanie pierwszego okresu okupacji. Trwały również przygotowania do zamachu na Hitlera, którego przybycia spodziewano się kilka dni po wkroczeniu Niemców. Instalacją bomby przy Nowym Świecie kierował mjr Franciszek Niepokólczycki. Do dziś nie wiadomo, dlaczego nie doszło do odpalenia ponad pół tony ładunku wybuchowego.

W Armii „Warszawa” walczyło ok. 120 tys. żołnierzy wspieranych przez mieszkańców. Straty ocenia się na blisko 27 tys. zabitych. Zginęło ok. 50 tys. warszawiaków. Ogromnym zniszczeniom uległa infrastruktura stolicy. W gruzach leżało ok. 10 proc. zabudowań. Symbolem destrukcji stały się zdjęcia płonącego Zamku Królewskiego wykonane przez kronikarza oblężenia – amerykańskiego dziennikarza Juliena Bryana.