佔領了頭駝峰就等於佔領了紫金山，而佔領了紫金山就等於佔領了南京，所以當第13師團把軍旗插在山頂之後不久，上海派遣軍的幾個師團立即爭先恐後地衝進市區，生怕被別的部隊搶了頭功，甚至於從朝鮮調過來的第19師團也加入了進去，把鬆井石根的命令全部拋到九霄雲外去了，只有第十軍直屬的第18師團、第114師團在猛攻第36師的防線，希望能夠把第六師團解救出來。
孫百里在日軍大舉入城的同時，命令負責掩護全軍的教導總隊和十九路軍軍部直屬部隊全部收縮到南京的南郊，只把監視敵人海軍的獨立師第三步兵團留在市區，在阻擊日軍的同時，接應從紫金山撤退下來的部隊。由於日軍人數太多，即使巷戰也無法阻止其前進，三團只好且戰且退，在給敵人一定的殺傷之後，撤退到江邊，然後乘坐汽艇朝幕府山的方向駛去，最後在幕府山要塞附近，與紫金山撤退下來的兩個營匯合，直接渡江北上而去。日本海軍爲了防止中國海軍偷襲和阻止守軍朝上游撤退，艦艇大多數佈置在蕪湖方向，沒想到這支中國軍隊會朝下游去，一時措手不及，只好胡亂打了幾炮了事。
就在上海派遣軍得意洋洋地接收市區的時候，李從文率領三個主力師來到第六師團的背後，由第60師和第61師阻截其後路，第78師則和第36師一起，應付第18師團和第114師團的攻勢。
1月21日下午3點整，孫百里指揮部隊對第六師團發起總攻，其中，獨立師從左翼，第87師和第88師從正面，第60師和第61師從背後前線突擊，力爭迅速解決敵人，然後開始撤退行動。爲了使撤退行動進行的更快，同時也是爲了讓匆忙編成的志願軍體驗戰場的氣氛，孫百里讓他們跟在中央軍兩個師的後面衝鋒。
第六師團的總兵力本來在28000人左右，可是在攻打南京外圍陣地的時候，已經有一定的損失，在加上在巷戰當中損失慘重，昨天又被獨立師吃掉將近一個步兵聯隊的兵力，只剩下不到15000人，而孫百里單是用於進攻的部隊就有五個師，其中第60師和第61師還是齊裝滿員，在他們的後面還有多達三四萬人的志願軍。兵力上的巨大差距使第六師團從一開始就失去了還手的能力，只能依託匆忙構築的工事遲滯對手的進攻。
中國軍隊在十幾分鐘的炮擊之後開始了衝鋒，士兵們以密集的隊形向前猛衝，手中的武器不停地向對面噴射子彈，在隊伍的前面交織成一張張細密的火網，把日軍陣地牢牢地籠罩在裡面。感受到末日降臨的日軍士兵拼死反擊，藉着戰壕的掩護用輕重機槍阻擊中國軍隊的進攻。在激烈的對射中，雙方士兵不斷倒下，具有壓倒兵力優勢的中國軍隊始終保持着密集的火力，而日軍的反擊力度隨着傷亡的增加越來越弱，根本無法阻擋對手的進攻。
第60師首先取得突破，在日軍防線的中間打開一個缺口，戰士們蜂擁而上，向兩端和縱深突破。幾分鐘過後，東面和北面也相繼突破，日軍在谷壽夫的指揮下且戰且退，朝長江邊上撤退，妄圖進入海軍艦炮的射程內再伺機反撲。與此同時，鬆井石根急電各師團長官，命令立即向第六師團方向攻擊前進，務必將其解救出來。
這時候，爭先恐後衝進市區的日軍已經發現失去了守軍的蹤跡，甚至連平民的身影都看不見，使這些滿懷着殺戮和破壞慾望的暴徒感到極度失望，四處縱火，把能夠點燃的一切全部點着，以此來發泄心中的怒火。恰在此時，師團長們接到了方面軍司令部的命令，這才知道中國軍隊不但要從自己的眼皮底下溜走，而且要把皇軍的精銳師團消滅，武夫們頓時感到氣衝斗牛，立即命令部下向市區的西南方向突擊。
將近十萬日軍在南京城裡的大街小巷裡面四處亂竄，士兵找不到自己的長官，長官也不知道自己的部下在哪裡，司令部已經無法有效地控制部隊。鬆井石根無奈之下，把司令部的警衛部隊和憲兵全部派了出去，先把士兵驅趕到指定的區域集合，然後在把軍官們召集起來進行甄別。由於谷壽夫師團已經危在旦夕，沒有時間等部隊全部恢復正常，只好把滿員的部隊先派出去增援。，然後抓緊時間整頓剩下的。
日軍的這種增援辦法實際上就變成了逐次增兵的添油戰術，投入的兵力雖然不少，但是始終不能形成有力的拳頭。而負責斷後的中國軍隊則完全不同，他們利用最近兩天的時間把兵工廠裡面剩下的幾百噸炸藥全部埋在日軍的必經之路上，等敵人大部隊經過的時候突然隱蔽，不但把日軍炸的血流成河，防線前面的建築物也幾乎全部被炸塌，形成一條寬約五十米的隔離帶。日軍增援部隊的兵力雖然越來越多，可是在守軍猛烈的射擊下，不但無法通過隔離帶，反而留下累累的屍體。
就在上海派遣軍在阻擊部隊的防線面前一籌莫展的時間裡，中國軍隊對第六師團的圍殲已經進入了尾聲！
當谷壽夫率領着殘兵敗將倉皇向長江逃竄，在距離江邊五六公里的地方遇到了一座只有幾十米高的小山，十九路軍軍部的一個摩托化步兵營已經搶先佔領了這裡，這樣一來，第六師團真的成了甕中之鱉。
谷壽夫看着聚集在身旁的士兵，感到極度的絕望，從這些人的臉上根本看不到往日的自信和驕橫，取而代之的是惶惶不可終日的喪家犬模樣！他一把拔出戰刀，把刀尖筆直地指着對面中國守軍的陣地，聲嘶力竭地喊道：“大和民族的英雄們，天皇陛下的勇士們，現在我們落入了支那軍隊的陷阱，只有佔領前面的山頭纔有機會逃出生天，纔有機會扭轉戰局！所以，請拿出你們的勇氣來，跟隨着我去把前面的陣地拿下來！”說罷縱身一躍，向山坡衝了過去。
日軍就如同落入陷阱的野獸，瘋狂地咆哮着，緊握着手中的武器朝山坡攻過去，轉瞬之間，就把守軍的陣地淹沒在土黃色的制服中間。
這時候，守軍的機槍開始射擊，無數發子彈朝敵人飛了過去，當即在人羣中間清出一個無人地帶，日軍的攻勢隨之一滯，但是轉眼之間就恢復了攻勢，不依不饒地向山頂衝過來。在敵人這種不顧犧牲的瘋狂攻勢下，摩步營開始感覺到吃力：山坡上的屍體越積累越多，可是敵人距離防線也越來越近！放眼望去，滿山遍野都是日軍的身影，似乎怎麼都殺不完。
突然，日軍的背後響起劇烈的爆炸聲和猛烈的射擊聲，大批中國士兵從三面包抄過來，摩步營的戰士們士氣大振，用更猛烈的火力阻擊敵人的攻勢。
四面楚歌之中的第六師團終於崩潰，士兵們四散奔逃，希望能夠僥倖逃出包圍圈。
谷壽夫嚎叫着迴轉身來，迎着中國士兵衝了上去，身邊的幾十個士兵急忙飛速上前，把師團長圍在當中。隨着雙方距離的逐漸接近，谷壽夫身邊的士兵接二連三地倒下，最後只剩下他一個人獨自往前衝，在幾米開外的地方，一名中國士兵舉起了步槍，可是沒有來得及扣動扳機，谷壽夫就衝到面前，戰刀從前胸狠狠地刺了進去，從後背穿了出來。谷壽夫正準備拔出戰刀，尋找下一個目標，中國士兵用雙手握住刀身，強忍着鑽心的疼痛，用力把谷壽夫拉到面前，然後用自己的頭部猛烈地撞擊谷壽夫的鼻樑。一下、兩下、三下，硬是把谷壽夫的鼻樑骨撞斷才慢慢倒下去。谷壽夫看着中國士兵臨死之前的眼神，內心感到一絲恐懼，急忙鬆開握刀的手，想往後跑。這時候，他突然感到身體一輕，低頭一看，只見胸前多出兩個血洞，還沒有來得及發出最後的嚎叫就被人從背後一腳踹到，結束了罪惡的生命。