另一方面，登陆成功后的华中方面军的第六师团等部进击松江，而第十一、第一一四师团则向嘉兴等地扩展，形成了对上海中国守军的北、东、南三面合击的态势，中国军队为了保存实力而被迫全线撤退。
大本营事先决定的作战计划，主要任务是“协同海军作战，以挫败敌之战斗意志，迅速结束战局，扫灭上海附近之敌”，作战地域限制线为“苏州与嘉兴连接线以东”地区。此时，武藤章则主张应继续穷追不舍，直取南京。因为他自七七事变发生后，就极力主张通过“一击”迅速结束战争。只是当时，由于华北方面军在保定会战及石家庄会战中，未能实现预期目的而未得逞。
这次大本营把主战场放到上海方面，并设了新方面军。武藤章期望这次可以通过担任新方面军的幕僚而在华中战场上大战一场，实现“予敌一击，结束战局”的目的，达到为天皇“建立功勋”的鸿图。然而，无论武藤章多么希望“乘胜追击”，身为司令官的松井石根坚决等待新的命令下来后，再决定下一步的行动。松井石根内心当然也希望乘胜追击，但作为司令官必须要有大本营的批准才能执行作战命令。
华中方面军一面于11月18日即下令“不失时机一举追击敌人到南京”，另一面加紧向大本营报告“攻占中国首都南京对于解决事变具有最大价值”，“应乘敌之颓势攻占南京”。而且事实上，11月19日，第十军在攻占苏州、嘉兴之后，武藤章已急不可待地命令其傍太湖南向芜湖、南京等地进攻，令上海派遣军沿沪宁线西进，目标也是直指南京。
日军计划攻占京沪杭三角地带的重要目标即是南京，但大本营以参谋本部次长多田骏为首的一派意见则认为，淞沪会战后，应将战线止于苏州、嘉兴一线，以使南京政府留在南京作为谈判对象，更容易通过压力达到使其臣服的目的，并且，扩大追击尚需一系列的准备。在这种意见的主导下，11月20日，大本营闻知华中方面军的动向后，立即发出急令，命令部队迅速退至限制线后，将作战保持在原定战线范围内。武藤章非常不满这种限制，多次要求“越线追击”。11月22日，武藤章以华中派遣军司令部名义，向大本营发电，坚称“为迅速解决事变，应该攻占南京”。11月29日，武藤章再次与大本营特派员今冈丰面谈，强烈主张“要是等待从国内新动员的部队集结后再发起作战，就会失去战机。如果现在立即发出进攻南京的命令，方面军以目前的兵力总能设法攻占南京。倘若贻误时机放松追击，则将给敌人以喘息的机会，那样一来攻击南京就困难了……新锐的第十军目前正在抑制着势如破竹的进攻。”12月1日，大本营终于下达了“华中方面军司令官应协同海军攻占敌国首都南京”的命令。
依武藤章的如意算盘，控制了经济中心上海，再攻占政治中枢南京，就能给中国人以致命一击，那么，结束战争的时间也就不远了。即使不能结束战争，丢了首都的蒋介石政权以后也不过是个地方政权而已。“大日本帝国”功业可成，而这其中也有自己积极参战的“功勋”了!武藤章一面为即将到手的“胜利”而激动不已，一面协助方面军司令官松井石根指挥日军攻占南京城。上海派遣军和第十军争先向南京进发，最终于12月13日，经过10余天的激战后，攻陷了南京城。
日本侵略军认为“皇军在外国首都入城乃有史以来盛事”，要“使中国军民敬仰皇军之威武而归之”，于是组织盛大的所谓“入城式”，武藤章亦是“入城式”的积极倡导者和参与者。12月17日，华中方面军经过一番“精心”准备，举行庆祝占领南京的“入城式”。武藤章耀武扬威地随方面军司令松井、冢田于正午先乘汽车抵达中山门外。13时30分，武藤章随两军司令官一道，骑着高头大马，踏着斑斑血迹入城，自中山门至中国国民政府官邸，检阅列队道路两旁的日军部队，看着经过战火的士兵列队两旁，武藤章心里竟有些飘飘然——“就是要领导这支队伍征服支那、孝忠天皇、建立军人的‘功勋’啊”!除了“入城式”炫耀皇军的“军威”外，武藤章也力主对中国实行“膺惩”，因而放纵士兵施行“屠城”震慑中国军民，迫使其放弃反抗。这些入城部队，在指挥官放纵之下，或“不留俘虏”或“解除军纪三天”，在古都南京烧、杀、奸、淫、劫、掠，无恶不做，进行了骇人听闻、惨绝人寰的“南京大屠杀”。
12月18日，武藤章与松井、冢田等占领南京的前线指挥官参加方面军为战场毙命的日本官兵举行的“战死者慰灵祭”活动。12月13日至1月21日，是“南京大屠杀”的最高潮时期，日本兽军的杀人、放火、抢掠、强奸的暴行大规模地进行。这一时期也是武藤等主要指挥官逗留南京之际。在短短的6个星期中，华中方面军所属部队共屠杀南京未及撤退但已解除武器装备的中国军人与普通市民30多万人，强奸中国妇女同胞两万多人。武藤章作为主要指挥官之一，当然非常清楚日军的种种暴行，但他并没有采取什么措施制止这些罪行，反而为了达到“膺惩”之目的，刻意纵容部下施暴。所以，他对“南京大屠杀”负有不可推卸的重大责任，是“南京大屠杀”的主犯之一。
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