1946年冬季的一天，军事法庭在中华门外雨花路南京市第十一区公所开了一次调查庭。那一天大雪纷飞，市区内外银装素裹，车少人稀。但区公所会议室内座无虚席，并且不断有市民扶老携幼，冒雪赶来。调查庭上，妻哭夫，夫哭妻，子哭父，父母哭子女，悲哭之声不绝于耳，控诉谷寿夫罪行者达千人以上。
军事法庭经过数月的调查。掌握了大量的事实证据之后，于1947年2月6日对谷寿夫开庭审讯，庭址设在南京中山东路原励志社礼堂。
庭讯开始后，检查官在起诉书中历陈了谷寿夫本人及怂恿所属部队犯下的累累罪行。旁听席上的中外记者和社会各界代表，无不义愤填膺，怒目切齿。然而谷寿夫仍百般狡赖。他先是拒绝军事法庭指定的辩护律师为其辩护，说中国的法律不公正，要求自己进行辩护。接着，他又说他们的部队是有文化、有教养的，对待平民和放下武器的俘虏，都按“海牙战法”的准则行事，没有违反国际公法。他还把南京大屠杀的罪责说成是两军对垒时造成的伤亡，是另一支被征调服役的高丽兵（朝鲜人）所为，他的部队在高丽兵屠杀以后才进入南京。
为了揭穿谷寿夫的狡辨行径，军事法庭出示了驻华大使新闻处实地拍摄的谷寿夫部日军暴行的照片，以及目击日军暴行的金陵大学美籍教授史密斯与贝德斯的证言；传讯了近百名受害未死的人出庭做证；放映了美新处供给的实录照片，并在审讯过程中，将被告谷寿夫押解到雨花台，面对法医和检查官事先带人发掘出来的万人白骨，当场指点被害者骨骸上的枪伤、刀伤。在对谷寿夫进行庭讯时，法庭上还陈列着几个被害者的颅骨。
谷寿夫在铁证面前，不得不承认他怂恿部队屠杀南京平民与俘虏的事实，表示愿对这次惨绝人寰的大屠杀负主要责任。
在一个多月的时间里，军事法庭对谷寿夫进行了六次庭讯，于3月30日宣判。审判长石美瑜宣读了判决书，判处谷寿夫死刑。
4月26日上午，谷寿夫被军事法庭的宪兵从国防部军法看守所提出来， 押赴雨花台执行枪决。
