1937年7月7日，以卢沟桥事变为标志，日本发动了全面侵华战争。这对于武藤章来说，如同服了兴奋剂。他迫不及待地打电话给时任关东军参谋部第二课课长的河边大佐说：“愉快的事情发生了！”
但战争开始后，日本陆军参谋本部出现了战争指导方面的意见分歧，发生了“扩大派”与“不扩大派”之争。所谓“不扩大派”，只不过是从“北进”的战略考虑，希望有更多的兵力以备将来向苏联开战，因而希望把对中国的侵略暂时限定在一定区域；而“扩大派”则是从“南进”的战略考虑，希望以速战速决占领全部中国，继而向太平洋地区扩张。
武藤章是“扩大派”主要成员，坚决主张立即扩大侵华战争，不仅向华北，同时向青岛和上海出兵。最后，武藤章等人的意见占了上风，日本的侵略战火很快在中国大地蔓延。武藤章也因提出扩大侵华战争计划，得到参谋本部的赏识，破例让其赴皇宫晋谒天皇。
武藤章不仅提出扩大侵华战争的主张，而且身体力行，成为扩大侵华战争的先锋。“八·一三”事变后日军进攻上海，但遭到了中国军队的顽强抵抗，并未达到速战速决的目标。于是，武藤章又提出派兵在杭州湾登陆的建议。他的建议得到采纳后，日军攻占上海的计划得逞。因献策有功，他被任命为华中方面军副参谋长。武藤章就任新职后，又提出立即进攻南京的建议。1937年12月1日，日本大本营采纳了他的建议后下达进攻南京的命令。
1937年12月13日，日军占领南京，随之而来的是30万中国同胞惨遭杀害的灾难，武藤章是制造这场灾难的罪魁祸首之一。12月17日，华中方面军为庆祝日军占领南京，在一片血泊中举行入城式，武藤章紧跟在骑马的松井石根后面，乘汽车抵达南京中山门外，又陪同松井石根，自中山门至中国国民政府官邸，检阅列于两旁的侵略部队。当时武藤章以华中方面军副参谋长的身份，负责日军在南京地区的宿营安排。武藤章宣布南京城外宿营地不足，日军官兵可以在南京市内随意选择宿营地。这一声令下，犹如打开了野兽的牢笼，日军冲向南京城内的大街小巷，看到男人就杀，看到妇女就强奸，看到财物就抢夺，导致了举世震惊的南京大屠杀惨案。
1938年7月，武藤章调任华北方面军副参谋长，又开始了他在华北地区对中国人民的屠戮罪行。同年10月，他因不断策划扩大侵华战争而受到日本统治者赏识，被晋升为少将。在华北期间，武藤章参与指挥了对晋察冀抗日根据地的围攻作战，对冀中进行的5次大“扫荡”。凭着对中国人民血腥屠杀的“战功”，1939年他又升任日本陆军省军务局长。