占领了头驼峰就等于占领了紫金山，而占领了紫金山就等于占领了南京，所以当第13师团把军旗插在山顶之后不久，上海派遣军的几个师团立即争先恐后地冲进市区，生怕被别的部队抢了头功，甚至于从朝鲜调过来的第19师团也加入了进去，把松井石根的命令全部抛到九霄云外去了，只有第十军直属的第18师团、第114师团在猛攻第36师的防线，希望能够把第六师团解救出来。
孙百里在日军大举入城的同时，命令负责掩护全军的教导总队和十九路军军部直属部队全部收缩到南京的南郊，只把监视敌人海军的独立师第三步兵团留在市区，在阻击日军的同时，接应从紫金山撤退下来的部队。由于日军人数太多，即使巷战也无法阻止其前进，三团只好且战且退，在给敌人一定的杀伤之后，撤退到江边，然后乘坐汽艇朝幕府山的方向驶去，最后在幕府山要塞附近，与紫金山撤退下来的两个营汇合，直接渡江北上而去。日本海军为了防止中国海军偷袭和阻止守军朝上游撤退，舰艇大多数布置在芜湖方向，没想到这支中国军队会朝下游去，一时措手不及，只好胡乱打了几炮了事。
就在上海派遣军得意洋洋地接收市区的时候，李从文率领三个主力师来到第六师团的背后，由第60师和第61师阻截其后路，第78师则和第36师一起，应付第18师团和第114师团的攻势。
1月21日下午3点整，孙百里指挥部队对第六师团发起总攻，其中，独立师从左翼，第87师和第88师从正面，第60师和第61师从背后前线突击，力争迅速解决敌人，然后开始撤退行动。为了使撤退行动进行的更快，同时也是为了让匆忙编成的志愿军体验战场的气氛，孙百里让他们跟在中央军两个师的后面冲锋。
第六师团的总兵力本来在28000人左右，可是在攻打南京外围阵地的时候，已经有一定的损失，在加上在巷战当中损失惨重，昨天又被独立师吃掉将近一个步兵联队的兵力，只剩下不到15000人，而孙百里单是用于进攻的部队就有五个师，其中第60师和第61师还是齐装满员，在他们的后面还有多达三四万人的志愿军。兵力上的巨大差距使第六师团从一开始就失去了还手的能力，只能依托匆忙构筑的工事迟滞对手的进攻。
中国军队在十几分钟的炮击之后开始了冲锋，士兵们以密集的队形向前猛冲，手中的武器不停地向对面喷射子弹，在队伍的前面交织成一张张细密的火网，把日军阵地牢牢地笼罩在里面。感受到末日降临的日军士兵拼死反击，借着战壕的掩护用轻重机枪阻击中国军队的进攻。在激烈的对射中，双方士兵不断倒下，具有压倒兵力优势的中国军队始终保持着密集的火力，而日军的反击力度随着伤亡的增加越来越弱，根本无法阻挡对手的进攻。
第60师首先取得突破，在日军防线的中间打开一个缺口，战士们蜂拥而上，向两端和纵深突破。几分钟过后，东面和北面也相继突破，日军在谷寿夫的指挥下且战且退，朝长江边上撤退，妄图进入海军舰炮的射程内再伺机反扑。与此同时，松井石根急电各师团长官，命令立即向第六师团方向攻击前进，务必将其解救出来。
这时候，争先恐后冲进市区的日军已经发现失去了守军的踪迹，甚至连平民的身影都看不见，使这些满怀着杀戮和破坏欲望的暴徒感到极度失望，四处纵火，把能够点燃的一切全部点着，以此来发泄心中的怒火。恰在此时，师团长们接到了方面军司令部的命令，这才知道中国军队不但要从自己的眼皮底下溜走，而且要把皇军的精锐师团消灭，武夫们顿时感到气冲斗牛，立即命令部下向市区的西南方向突击。
将近十万日军在南京城里的大街小巷里面四处乱窜，士兵找不到自己的长官，长官也不知道自己的部下在哪里，司令部已经无法有效地控制部队。松井石根无奈之下，把司令部的警卫部队和宪兵全部派了出去，先把士兵驱赶到指定的区域集合，然后在把军官们召集起来进行甄别。由于谷寿夫师团已经危在旦夕，没有时间等部队全部恢复正常，只好把满员的部队先派出去增援。然后抓紧时间整顿剩下的。
日军的这种增援办法实际上就变成了逐次增兵的添油战术，投入的兵力虽然不少，但是始终不能形成有力的拳头。而负责断后的中国军队则完全不同，他们利用最近两天的时间把兵工厂里面剩下的几百吨炸药全部埋在日军的必经之路上，等敌人大部队经过的时候突然隐蔽，不但把日军炸的血流成河，防线前面的建筑物也几乎全部被炸塌，形成一条宽约五十米的隔离带。日军增援部队的兵力虽然越来越多，可是在守军猛烈的射击下，不但无法通过隔离带，反而留下累累的尸体。
就在上海派遣军在阻击部队的防线面前一筹莫展的时间里，中国军队对第六师团的围歼已经进入了尾声！
当谷寿夫率领着残兵败将仓皇向长江逃窜，在距离江边五六公里的地方遇到了一座只有几十米高的小山，十九路军军部的一个摩托化步兵营已经抢先占领了这里，这样一来，第六师团真的成了瓮中之鳖。
谷寿夫看着聚集在身旁的士兵，感到极度的绝望，从这些人的脸上根本看不到往日的自信和骄横，取而代之的是惶惶不可终日的丧家犬模样！他一把拔出战刀，把刀尖笔直地指着对面中国守军的阵地，声嘶力竭地喊道：“大和民族的英雄们，天皇陛下的勇士们，现在我们落入了支那军队的陷阱，只有占领前面的山头才有机会逃出生天，才有机会扭转战局！所以，请拿出你们的勇气来，跟随着我去把前面的阵地拿下来！”说罢纵身一跃，向山坡冲了过去。
日军就如同落入陷阱的野兽，疯狂地咆哮着，紧握着手中的武器朝山坡攻过去，转瞬之间，就把守军的阵地淹没在土黄色的制服中间。
这时候，守军的机枪开始射击，无数发子弹朝敌人飞了过去，当即在人群中间清出一个无人地带，日军的攻势随之一滞，但是转眼之间就恢复了攻势，不依不饶地向山顶冲过来。在敌人这种不顾牺牲的疯狂攻势下，摩步营开始感觉到吃力：山坡上的尸体越积累越多，可是敌人距离防线也越来越近！放眼望去，满山遍野都是日军的身影，似乎怎么都杀不完。
突然，日军的背后响起剧烈的爆炸声和猛烈的射击声，大批中国士兵从三面包抄过来，摩步营的战士们士气大振，用更猛烈的火力阻击敌人的攻势。
四面楚歌之中的第六师团终于崩溃，士兵们四散奔逃，希望能够侥幸逃出包围圈。
谷寿夫嚎叫着回转身来，迎着中国士兵冲了上去，身边的几十个士兵急忙飞速上前，把师团长围在当中。随着双方距离的逐渐接近，谷寿夫身边的士兵接二连三地倒下，最后只剩下他一个人独自往前冲，在几米开外的地方，一名中国士兵举起了步枪，可是没有来得及扣动扳机，谷寿夫就冲到面前，战刀从前胸狠狠地刺了进去，从后背穿了出来。谷寿夫正准备拔出战刀，寻找下一个目标，中国士兵用双手握住刀身，强忍着钻心的疼痛，用力把谷寿夫拉到面前，然后用自己的头部猛烈地撞击谷寿夫的鼻梁。一下、两下、三下，硬是把谷寿夫的鼻梁骨撞断才慢慢倒下去。谷寿夫看着中国士兵临死之前的眼神，内心感到一丝恐惧，急忙松开握刀的手，想往后跑。这时候，他突然感到身体一轻，低头一看，只见胸前多出两个血洞，还没有来得及发出最后的嚎叫就被人从背后一脚踹到，结束了罪恶的生命。
