12月10日，谷寿夫的第六师团与第一一四师团一起合攻南京国民党守军雨花台阵地。12月11日，雨花台右侧阵地被日军突破。日军从这里向南京中华门进攻，中国守军第八十八师奋起抵抗，伤亡惨重。12月12日中午，雨花台陷落，中国守军第八十八师两个旅官兵全都壮烈牺牲。谷寿夫先用重炮集中火力轰击中华门城墙，然后命令大批日军利用缆梯从城墙坍塌处攀入。12日傍晚，谷寿夫所率日本先头部队最终攻下中华门，南京城陷落。
12月13日，日军大部队铁蹄踏入南京城。谷寿夫率领第六师团从中华门进入南京市区后，当即宣布：“解除军纪三天!”唆使、纵容部下肆意烧、杀、劫、掠。当时，逃难的市民拥挤在中华门附近的主要街道上，第六师团的士兵们追赶着向人群投掷手榴弹，还用机枪扫射，数以万计的无辜中国百姓惨死在马路上。
第六师团在城内疯狂滥杀无辜，以杀人为乐。“完全像一群放纵的野兽似地污辱、蹂躏这个城市。”这群兽兵，有的往难民身上先浇汽油，再用枪扫射，被弹击火烧的难民，挣扎翻腾，万分痛苦，日军则鼓掌狂笑，引以为乐。有的让难民脱光衣服，破冰入水捕鱼，不会水的被淹死，挣扎的就被击毙。有的把难民杀死后割下头，挑在枪上，漫步街头，嬉笑取乐。第六师团第四十五联队的步兵中队长田中军吉，手舞军刀，在街上向四处逃避的难民挥刀就劈，竟一连砍杀了无辜百姓、男女老少300多人。
日军观看“试斩”活人对于放下武器投降的中国军队官兵，谷寿夫也命令部队加以屠杀。后来中国军事法庭查证，仅在雨花台搜杀伤兵、散兵和难民就有两万余名。日本随军记者铃木二郎亲眼目睹了第六师团屠杀中国军队官兵的暴行：
12月13日，在中华门附近城墙……俘虏们在25公尺高的城墙上排成一列，许多日本兵端着插上刺刀的步枪，齐声大吼，冲着俘虏们的胸部或腰部刺去，(俘虏们)一个接一个被刺到城外去了。只见飞溅的血雨喷向半空，阴森的气氛使人汗毛直竖、浑身战栗。
除了灭绝人性的屠杀外，古寿夫还纵容部下奸污、杀害中国妇女。而且谷寿夫自己还像野兽一样公然在大街上强奸中国妇女，被他一人奸污的中国妇女就有十多名。抢掠、焚烧也是日军在南京大屠杀中所犯罪行之一，仅谷寿夫所率第六师团在中华门一带所制造的烧、杀、淫、掠暴行，事后有案可查的就有459起。
12月17日，耀武扬威的华中方面军司令松井石根骑马率部进入南京。他对纵兵滥杀无辜、奸淫劫掠无恶不作的谷寿夫不仅默许、纵容而且大加奖励，因而日军在南京的诸种暴行愈演愈烈，创“现代战史上破天荒之残暴记录”。谷寿夫在自己攻占南京的“军状报告”中也写道：“河岸边全被尸体覆盖满了”。
这样闻所未闻、灭绝人性的暴行，受到全世界的谴责。在各国舆论的巨大压力之下，日本大本营不得不将华中方面军司令松井石根，以及其部下谷寿夫等调回日本，但是他们这些罪魁祸首没有一个人受到任何惩罚。
12月28日，回到日本的谷寿夫被任命为日本中部防卫司令官。1939年9月，转入预备役。1945年8月12日，谷寿夫应召重服现役，并被任命为第五十九军司令官兼中国军管区司令官，但还没有来得及赴任，8月15日，就传来了日本宣布无条件投降的消息。
%%%作恶多端的谷寿夫在铁证如山面前，不得不低头伏罪。在面对自己死亡的时候，他才开始了一点反省：“愿献此身化淤泥，中国不再恨日本”
1946年2月2日，驻日盟军总部应中国国民政府的请求，以战犯嫌疑罪逮捕了谷寿夫，将他关押进东京巢鸭监狱。同年8月1日，侵华乙级战犯谷寿夫作为中国引渡的第一批战犯，由巢鸭监狱押赴羽田机场，后转押至上海，由中国政府进行审判。
谷寿夫想到自己在中国的种种罪行，这次肯定是有去无回的。他在登机之前，泪流满面地跪在地上，朝着东方叩拜了三下，伸出舌头缓缓地在地面上舔了三下，把泥土咽下肚去，然后才登上押解的飞机。随同前往的有远东国际军事法庭派往中国的监审官美军少校赫伯特、美国驻远东国际军事法庭法官阿尔达克和霍西三人。
谷寿夫先被关在上海战犯拘留所。
8月3日，国民党第一绥靖区司令部在上海审判战犯军事法庭侦察室，对谷寿夫进行了第一次审讯。审讯中，老奸巨猾的谷寿夫拒不承认自己是南京大屠杀主犯的罪行。
国民政府鉴于谷寿夫是“侵华最力之重要战犯，尤为南京大屠杀之要犯”，为方便侦讯，因而决定“移本部军事法庭审判”。1946年10月16日，谷寿夫被押解到南京小营战犯拘留所，交由国防部南京审判战犯军事法庭审讯。
谷寿夫在日本东京的两次预审中，就凭着辩护律师的开脱而拒不认罪。10月19日，南京审判战犯军事法庭检察官陈光虞提审谷寿夫。谷寿夫故伎重演，矢口否认在南京有过大屠杀，信口胡说在南京街上连死人“也没有看见过”。还说什么“我师团入城后未几，即行调转，故无任何关系”。南京审判战犯军事法庭庭长石美瑜为了能够拿出大量事实证据、让谷寿夫在铁证面前低头认罪，专门成立了4个小组搜集证据。这4个小组，分别调查南京大屠杀中的受害者和目睹者，搜集当地中外记者和其他中外人士的有关报道、著述和影片资料，查阅原首都地方法院的有关调查报告，挖掘中华门外日军屠杀后埋尸的万人坑。
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