1937年7月7日,以盧溝橋事變為標誌,日本發動了全麵侵華戰爭。這對於武藤章來說,如同服了興奮劑。他迫不急待地打電話給時任關東軍參謀部第二課課長的河邊大佐說:“愉快的事情發生了!”
但戰爭開始後,日本陸軍參謀本部出現了戰爭指導方麵的意見分歧,發生了“擴大派”與“不擴大派”之爭。所謂“不擴大派”,隻不過是從“北進”的戰略考慮,希望有更多的兵力以備將來向蘇聯開戰,因而希望把對中國的侵略暫時限定在一定區域;而“擴大派”則是從“南進”的戰略考慮,希望以速戰速決占領全部中國,繼而向太平洋地區擴張。
武藤章是“擴大派”主要成員,堅決主張立即擴大侵華戰爭,不僅向華北,同時向青島和上海出兵。最後,武藤章等人的意見占了上風,日本的侵略戰火很快在中國大地蔓延。武藤章也因提出擴大侵華戰爭計劃,得到參謀本部的賞識,破例讓其赴皇宮晉謁天皇。
武藤章不僅提出擴大侵華戰爭的主張,而且身體力行,成為擴大侵華戰爭的先鋒。“八·一三”事變後日軍進攻上海,但遭到了中國軍隊的頑強抵抗,並未達到速戰速決的目標。於是,武藤章又提出派兵在杭州灣登陸的建議。他的建議得到采納後,日軍攻占上海的計劃得逞。因獻策有功,他被任命為華中方麵軍副參謀長。武藤章就任新職後,又提出立即進攻南京的建議。1937年12月1日,日本大本營采納了他的建議後下達進攻南京的命令。
1937年12月13日,日軍占領南京,隨之而來的是30萬中國同胞慘遭殺害的災難,武藤章是製造這場災難的罪魁禍首之一。12月17日,華中方麵軍為慶祝日軍占領南京,在一片血泊中舉行入城式,武藤章緊跟在騎馬的鬆井石根後麵,乘汽車抵達南京中山門外,又陪同鬆井石根,自中山門至中國國民政府官邸,檢閱列於兩旁的侵略部隊。當時武藤章以華中方麵軍副參謀長的身份,負責日軍在南京地區的宿營安排。武藤章宣布南京城外宿營地不足,日軍官兵可以在南京市內隨意選擇宿營地。這一聲令下,猶如打開了野獸的牢籠,日軍衝向南京城內的大街小巷,看到男人就殺,看到婦女就強奸,看到財物就搶奪,導致了舉世震驚的南京大屠殺慘案。
1938年7月,武藤章調任華北方麵軍副參謀長,又開始了他在華北地區對中國人民的屠戮罪行。同年10月,他因不斷策劃擴大侵華戰爭而受到日本統治者賞識,被晉升為少將。在華北期間,武藤章參與指揮了對晉察冀抗日根據地的圍攻作戰,對冀中進行的五次大“掃蕩”。憑著對中國人民血腥屠殺的“戰功”,1939年他又升任日本陸軍省軍務局長。