11月2日，接受新任务的第6师团从八浦口出发到达杭州湾。杭州湾原有中国军队4个师又一个旅布防，后由于浦东战事吃紧，部队被逐步抽走。
至11月5日，仅剩第62师的2个连驻守。当天，在舰炮掩护下第6、18师团告状部队3000余人在几乎未受抵抗的情况下从金山卫以西登陆。
谷寿夫不等部队上陆完毕，即令向北突击。随后，穷凶极恶的日军仗着火力优势，打退了中国军队第62师、79师的反击。
8日，第6师团配合第10军主力渡过黄浦江后攻占松江，切断了沪杭铁路。上海方面的中国军队主力为免遭合围而开始撤退，不少部队在后退中秩序大乱而随即演变成了溃退。
日军第6师团乘机疯狂追击，气势汹汹的第6师团成为追击的“先锋”。15日，昆山沦陷，第6师团大肆屠城，丰饶美丽的京沪杭地区被倭寇变成了腥风血雨的人间地狱。
11月7日，日参谋本部将上海派遣军和第10军组成“中支”方面军松井石根任司令。
当时，日本内阁对扩大对华战争顾虑，因此日参谋部规定苏州至嘉兴一线为限制线(即苏嘉线)，日军不得越过。
这样一来，南京也就被划在战线之外。但对被胜利冲昏头脑的第10军上层将领(包括谷寿夫)来说，这种限制是不能容忍的。在日本陆军中，早在日俄战争时就弥漫着“以下克上”的风气，那些敢于违抗上命、自作主张的将领，往往被视为不可多得的人才。
第10军司令柳川平助及谷寿夫两人经密谋后决心挣脱“缰绳”。11月15日，这伙疯子背着参谋本部，独自向南京追击。
11月20日，参谋次长多田竣接到第10军电文后才知其图谋，不禁大吃一惊。
而此时，第6师团已经抵达湖州，苏嘉线成为虚设。面对即成事实，日参谋本部于24日废止了苏嘉线。12月1日，日统帅部发出《大陆令8号》：命令日军攻占南京。
1937年12月5日，谷寿夫第6师团的先头部队经强行军后抵达南京外围阵地。10日，就已经打到中华门。
12日，经过一番血战，我守卫雨花台的第88师262旅仅剩旅长朱赤一个特务连。第6师团日军凭借优势兵力蜂拥而上，朱赤率部与敌展开激烈肉博，杀伤大量日军，最后全体壮烈殉国。
1937年12月12日，第6师团第47联队一部占领中华门正面，13日傍晚南京沦陷。
进城后，残暴成性的第6师团日军兽性大发，在侵占南京的8天时间内制造了震惊中外的南京大屠杀，该师仅在下关杀害的中国军民尸积就达2千米长、50米宽，血水染红了长江。
侵入南京的该师团辎重第6联队小队长高城守一日记中说，1937年12月14日，他看到南京下关江边：“尸体像漂流的木头被浪冲了过来；在岸边，重叠地堆积着的尸体一望无际。这些尸体可能有几千、几万，数目大得很。”
第6师团正是参与南京大屠杀的罪魁祸首。之后，参加徐州会战、在武汉会战中在师团长稲叶四郎的率领下，单独一个师团沿长江北岸北上，在李品仙、李延年两大军团十几个师的内外合击中，强夺半壁山，田家镇要塞，砸开了武汉的大门。
最后在1947年4月26日在雨花台执行枪决。