1936年8月初，谷牧受中共党组织派遣，前往东北军从事“兵运”工作。1937年6月，谷牧到东北军67军107师师部任司书，负责协助师部书记官为师部起草文件，保管师部关防（公章），以及团以上军官证件的发放和保管等工作。

　　抗战全面爆发后，吴克仁率67军开到淞沪战场，经第三战区前敌总司令陈诚拨归右翼方面军张发奎指挥，作为右翼的总预备队，驻军青浦。1937年11月初，日军在杭州湾登陆后迅速占领了金山卫，并企图攻占松江切断中国军队退路。张发奎当即命令吴克仁率67军协同43军郭汝栋部及松江专员兼保安司令王公玙死守松江三日，以掩护上海守军撤退。6日傍晚，吴克仁率67军赶到松江。

　　当时郭汝栋所率43军仅存残部500余人，而67军则军容严整，装备齐全。吴克仁向王公玙了解敌情后，即命令108师师长张文清率部防堵城西之敌，谷牧所在的107师师长金奎壁出新东门迎击北犯之敌，以108师的643团为军总预备队，一面协同郭汝栋残军防守松江县城。

　　107师当晚即在黄浦江北岸布防，沿金鹤浜、米市渡、得胜港一线展开，并与已渡河的数百名日军激战至晚上，将金鹤浜、夏兴浜、张家村的日军击退。经过整整一天激战后，该师下属两个旅中的319旅旅长吴骞负重伤，321旅旅长朱之荣光荣殉国。

　　第二天，107师继续和日军激战，107师参谋长邓玉琢在战斗中殉国。下午，敌谷寿夫师团援军开到，107师余部只得向苏州河左岸撤走。这时，108师322旅旅长刘启文率部在松江城外30号桥附近与敌遭遇，激战中，旅长刘启文力战阵亡。敌军遂突进到松江城西关大桥附近，与夏树勋的324旅展开激战。至8日下午，战况更加激烈，军长吴克仁亲自出城督战。坚持到8日傍晚，守城任务已经达成，吴克仁遂与郭汝栋、王公玙商定突围，令67军向昆山撤退。突围中，67军参谋长吴桐岗不幸阵亡。9日黄昏，吴克仁在指挥部队渡苏州河时不幸中弹牺牲，年仅43岁。他是抗日战争初期最早为国捐躯的一位军长，也是淞沪会战中殉国16个将军中军衔最高的一位。

　　由于107师师部没有固定地点，加上连续三天的战斗，让谷牧疲累已极，8日深夜，他在师部临时驻地青浦县一个小村庄的禾场上睡着了。9日清晨，当他醒来时，发现部队已经撤走了。谷牧急忙收拾起师部关防和一些重要文件，向西南方向追赶部队。在一条河边被一队日军骑兵发现。谷牧忙扔掉背包，脱了外衣，只带着公文袋（内有师部关防、师长图章及团长们的护照等）和手枪就下水沿河游去，从侧面避开了敌人的搜索。摆脱了敌人后，他一路又集结了本师的散兵约有百把人，终于找到了师指挥部。

　　谷牧见到师长金奎壁后报告说：师部关防和师长的图章带回来了，团长们的护照还在，武器也没有丢，还带回来100多个弟兄。师长非常高兴，表示要保送谷牧“上中央军校”。但谷牧已经决定去武汉找中共党组织联络，他辞去了107师的工作，前往武汉八路军办事处向周恩来、李涛汇报工作。

　　由于67军在战斗中伤亡过大，其番号被陈诚取消，残部被改编为中央军的一个师。由于军长吴克仁的遗体被河水冲走，一度有人怀疑他“叛变投敌”。1987年2月，中华人民共和国民政部追认吴克仁将军为革命烈士，并向其子女颁发了烈士证书。1989年清明，台湾当局将吴克仁将军灵位加入忠烈祠。