1936年8月初，谷牧受中共黨組織派遣，前往東北軍從事“兵運(yùn)”工作。1937年6月，谷牧到東北軍67軍107師師部任司書，負(fù)責(zé)協(xié)助師部書記官為師部起草文件，保管師部關(guān)防（公章），以及團(tuán)以上軍官證件的發(fā)放和保管等工作。

　　抗戰(zhàn)全面爆發(fā)后，吳克仁率67軍開到淞滬戰(zhàn)場(chǎng)，經(jīng)第三戰(zhàn)區(qū)前敵總司令陳誠(chéng)撥歸右翼方面軍張發(fā)奎指揮，作為右翼的總預(yù)備隊(duì)，駐軍青浦。1937年11月初，日軍在杭州灣登陸后迅速占領(lǐng)了金山衛(wèi)，并企圖攻占松江切斷中國(guó)軍隊(duì)退路。張發(fā)奎當(dāng)即命令吳克仁率67軍協(xié)同43軍郭汝棟部及松江專員兼保安司令王公玙死守松江三日，以掩護(hù)上海守軍撤退。6日傍晚，吳克仁率67軍趕到松江。

　　當(dāng)時(shí)郭汝棟所率43軍僅存殘部500余人，而67軍則軍容嚴(yán)整，裝備齊全。吳克仁向王公玙了解敵情后，即命令108師師長(zhǎng)張文清率部防堵城西之?dāng)?，谷牧所在?07師師長(zhǎng)金奎壁出新東門迎擊北犯之?dāng)常?08師的643團(tuán)為軍總預(yù)備隊(duì)，一面協(xié)同郭汝棟殘軍防守松江縣城。

　　107師當(dāng)晚即在黃浦江北岸布防，沿金鶴浜、米市渡、得勝港一線展開，并與已渡河的數(shù)百名日軍激戰(zhàn)至晚上，將金鶴浜、夏興浜、張家村的日軍擊退。經(jīng)過(guò)整整一天激戰(zhàn)后，該師下屬兩個(gè)旅中的319旅旅長(zhǎng)吳騫負(fù)重傷，321旅旅長(zhǎng)朱之榮光榮殉國(guó)。

　　第二天，107師繼續(xù)和日軍激戰(zhàn)，107師參謀長(zhǎng)鄧玉琢在戰(zhàn)斗中殉國(guó)。下午，敵谷壽夫師團(tuán)援軍開到，107師余部只得向蘇州河左岸撤走。這時(shí)，108師322旅旅長(zhǎng)劉啟文率部在松江城外30號(hào)橋附近與敵遭遇，激戰(zhàn)中，旅長(zhǎng)劉啟文力戰(zhàn)陣亡。敵軍遂突進(jìn)到松江城西關(guān)大橋附近，與夏樹勛的324旅展開激戰(zhàn)。至8日下午，戰(zhàn)況更加激烈，軍長(zhǎng)吳克仁親自出城督戰(zhàn)。堅(jiān)持到8日傍晚，守城任務(wù)已經(jīng)達(dá)成，吳克仁遂與郭汝棟、王公玙商定突圍，令67軍向昆山撤退。突圍中，67軍參謀長(zhǎng)吳桐崗不幸陣亡。9日黃昏，吳克仁在指揮部隊(duì)渡蘇州河時(shí)不幸中彈犧牲，年僅43歲。他是抗日戰(zhàn)爭(zhēng)初期最早為國(guó)捐軀的一位軍長(zhǎng)，也是淞滬會(huì)戰(zhàn)中殉國(guó)16個(gè)將軍中軍銜最高的一位。

　　由于107師師部沒(méi)有固定地點(diǎn)，加上連續(xù)三天的戰(zhàn)斗，讓谷牧疲累已極，8日深夜，他在師部臨時(shí)駐地青浦縣一個(gè)小村莊的禾場(chǎng)上睡著了。9日清晨，當(dāng)他醒來(lái)時(shí)，發(fā)現(xiàn)部隊(duì)已經(jīng)撤走了。谷牧急忙收拾起師部關(guān)防和一些重要文件，向西南方向追趕部隊(duì)。在一條河邊被一隊(duì)日軍騎兵發(fā)現(xiàn)。谷牧忙扔掉背包，脫了外衣，只帶著公文袋（內(nèi)有師部關(guān)防、師長(zhǎng)圖章及團(tuán)長(zhǎng)們的護(hù)照等）和手槍就下水沿河游去，從側(cè)面避開了敵人的搜索。擺脫了敵人后，他一路又集結(jié)了本師的散兵約有百把人，終于找到了師指揮部。

　　谷牧見(jiàn)到師長(zhǎng)金奎壁后報(bào)告說(shuō)：師部關(guān)防和師長(zhǎng)的圖章帶回來(lái)了，團(tuán)長(zhǎng)們的護(hù)照還在，武器也沒(méi)有丟，還帶回來(lái)100多個(gè)弟兄。師長(zhǎng)非常高興，表示要保送谷牧“上中央軍校”。但谷牧已經(jīng)決定去武漢找中共黨組織聯(lián)絡(luò)，他辭去了107師的工作，前往武漢八路軍辦事處向周恩來(lái)、李濤匯報(bào)工作。

　　由于67軍在戰(zhàn)斗中傷亡過(guò)大，其番號(hào)被陳誠(chéng)取消，殘部被改編為中央軍的一個(gè)師。由于軍長(zhǎng)吳克仁的遺體被河水沖走，一度有人懷疑他“叛變投敵”。1987年2月，中華人民共和國(guó)民政部追認(rèn)吳克仁將軍為革命烈士，并向其子女頒發(fā)了烈士證書。1989年清明，臺(tái)灣當(dāng)局將吳克仁將軍靈位加入忠烈祠。