教导总队第2团与张华浜之敌形成对峙。
24日，第15集团军陈诚部先后进至上海，中国军队向登陆之敌发起反击。第98师向吴淞、宝山地区日军展开反攻，至傍晚将敌压缩至江边，歼其300余人，将进攻吴淞之敌击退。另一部收复宝一山，残敌向狮子林撤退。
27日晚，第15集团军再由同浦镇、新镇、罗店、蒲家庙之线向敌展开反击。日军第11师主力向罗店方面反扑，守军与敌反复进行巷战，罗店数次易手，终因伤亡过重被敌夺占。31日，日军第3师第68团在吴淞登陆，守军伤亡惨重，吴淞镇夫守。9月1日，日军1000余人围攻狮子林炮台。第98师一部与敌反复白刃搏斗，多数牺牲。
9月5日，日军集中30余艘军舰，掩护陆军向宝山发起猛攻，中国军队顽强抵抗，守卫宝山的第18军第583团第3营500名官兵，在营长姚子青率领下，浴血奋战；击退日军数次冲击。日军以炮击摧毁城墙，攻入宝山城内。
第3营官兵同敌展开巷战，奋战2昼夜，多数壮烈牺牲。迄9月17日，中国军队全线退守北站、江湾、庙行、罗店西南、双草墩之线，继续与日军对峙。
9月上旬，尽管上海中国守军伤亡较大，但斗志高昂，拼死抵抗，使日军进展缓慢。这一形势使日本统帅部焦虑不安。日本上海派遣军司令官松井石根在8月31日即向日军参谋部紧急呼吁，请求派遣5个师速向上海增援。
9月6日，日本海军军令部总长伏见宫博恭王向天皇上奏说，“上海的陆上作战迟迟未有进展，需要增加陆军兵力。”＇〔日〕防卫厅防卫研究所战史室：《中国事变陆军作战》（1），朝云新闻社，1983年增印，第296页。＇
为此，日军中央统帅部决定再次增兵，加强上海派遣军的力量。9月7日，以台湾守备队扩编而成的重藤支队，乘海军舰艇急驶上海，并将华北方面军后备步兵10个营及炮兵、工兵一部调到上海；9月11日又下令调华北方面军第9、第13、第101师及直属部队、兵站部队到上海作战，正式编成上海派遣军战斗序列。在9月20日制订的《作战计划大纲》中，提出“大致以10月上旬为期，在华北与上海两方面发动攻击，务必给予重大打击，造成使敌人屈服的形势”，“以上海派遣军（以5个师为基干）击败上海周围之敌。”日军决心将侵华战争的主要作战方向由华北转移到上海。
由于日军不断增兵，战争逐步升级，中国军队也陆续增援，不断调整部署。9月11日以后，蒋介石自兼第3战区司令长官，顾祝同任副司令长官。
以陈诚的第15集团军力左翼作战军，以张治中的第9集团军为中央作战军，以张发奎的第8集团军为右翼作战军。9月21日，再次调整部署，朱绍良任中央作战军总司令兼第9集团军总司令；陈诚任左翼作战军总司令，下辖第19集团军（薛岳为总司令）和第15集团军（罗卓英为总司令）；张发奎任右翼作战军总司令，下辖第8集团军（张发奎兼总司令〕和第10集团军（刘建绪为总司令）。
9月下旬至10月初，日军第101、第9、第13师等增援部队陆续在上海登陆，加入上海派遣军之作战。日军总兵力达20万人。9月30日拂晓，日军向中国军队发起猛攻，突破万桥、严桥、陆桥等处阵地。刘行方面的中国守备部队陷于苦战，伤亡较重。为了避免日军继续突破，10月1日晚，第3战区司令长官部令左翼作战军各兵团，向蕴藻浜右岸陈行、施相公庙、浏河之线阵地转移，至3日拂晓前，完成新阵地的占领。10月5至8日，日军第3、第9师在第11师和13师一部的掩护下，向蕴藻浜地区实施猛攻。中国军队经数日激战，予敌以重大杀伤。
11日后，日军继续猛攻，企图进占大场，向南翔发展，截断京沪铁路。
中日双方军队在蕴藻浜南岸阵地进行了激烈的争夺。
10月15日，中国军队第3战区重新调整部署，将蕴藻浜南岸地区划归中央作战军，令廖磊的第21集团军归中央作战军指挥，加入大场方向作战。
中国守卫蕴藻浜南岸之部队，在第21集团军统一指挥下，19日发起反击，适逢日军主力亦发动步、坦、炮联合进攻，双方展开大规模激战。中国军队由于装备落后，加之连日战斗，伤亡过大，攻击陷于停顿，26日大场失陷。
中央作战军遂放弃北站至江湾之间的阵地，向苏州河南岸转移，左翼作战军向姚家渡至唐家桥之线转移。中央作战军主力27日转至苏州河南岸新阵一地，各掩护部队完成任务后亦陆续归还建制。唯第88师第524团第2营在团附谢晋元、营长杨瑞符的指挥下，据守苏州河北岸四行仓库，继续阻击敌人，誓死下退。该营八百壮士孤军奋战至30日，乃退人英租界。国际上对中国军队这次英勇作战，赞为奇迹。日军占领苏州河北岸后，即发起攻势，双方死伤惨重。至11月4日，日军仍未突破苏州河。此时，第3战区根据战局变化，乃撤销中央作战军，将全正面划分为左、右两作战军，分由陈诚、张发奎指挥。
（三）杭州湾抗登陆及撤退
淞沪会战在中国军队的英勇坚持下，已延续两个月，日军虽增援至6个师，兵力达20万人，且在武器装备上占有很大优势，但仍未能获得决定性胜利。日军每前进一步都要付出重大代价，这对其速战速决战略无疑是一个沉重的打击。日本统帅部急于在上海方面取得预期战果，决心采取新的措施。
10月6日，日军参谋部在给天皇的上奏中指出，要攻占上海，“预料还需要相当的时日和付出相当的代价”，“因此，目前刻不容缓的是迅速结束上海战役。”＇《现代史资料12，日中战争4》，美铃书房，东京1973年版，第477页。＇
10月9日决定增派一个集团军在杭州湾北岸登陆，攻击上海守军侧背。
10月20日，日军参谋部决定抽调第6、第18、第114师、国崎支队、独立山炮第2团、野战重炮兵第6旅和第1、第2后备步兵团，组成第10集团军，柳川平助中将为司令官，与海军协同，在杭州湾北岸登陆，以协助上海派遣军作战。10月20日，日军又从华北抽调第16师等部编入上海派遣军的战斗序列。至此，进犯淞沪地区的日军已达两个集团军9个师，侵华日军的作战重点，已经转移到华中。当时日本留在国内的部队只有近卫和第7两个常设师。日军在中国，特别是在华中下的赌注，表明了在上海附近进行决战的意图。
日军选定的登陆地点，是位于上海南侧杭州湾北岸。这里海岸线平直，近岸有10米以上的水深，是淞沪地区最良好的登陆场。日军登陆后如占领松江城，即可切断沪杭甬铁路，与北面的上海派遣军配合，对淞沪地区之中国军队形成包围。
淞沪会战初期，中国军队曾设置杭州湾北岸守备区，以第8集团军4个师1个旅担任防守，防止日军增援部队在沿江沿海登陆。后因上海方面战事紧张，部分守备部队先后被调往浦东一带协助正面作战，以致从全公亭到乍浦几十公里长的海岸线，仅有第62师之一部及少数地方武装担任守卫。
11月5日拂晓，日军先以舰炮对金山卫附近中国军队阵地轰击数小时，然后第10集团军第一梯队登陆部队（第6师与第18师）在航空兵火力掩护下，于全公亭、金丝娘桥、金山卫、金山咀、漕泾等地登陆。中国守军在沿海岸担任警戒的部队为第28军步兵第63师的2个连，兵力薄弱，为敌军击破，日军登陆成功。5日上午，全公亭方面登陆日军已达3000余人，中国战区指挥官急调第62师、独立第45旅及新到枫径之第79师前往阻击，井令在青浦之第67军推进至松江。但部队联络困难，行动迟缓，未能如期实施反击。
日军乘机突击，后续部队源源上陆。
日军登陆成功后，即以第18师一部向沪杭铁路前进，第6师和第18师主力向松江进攻，当晚进抵金山县城、松隐镇、亭林镇一线。
11月6日，敌先头部队到达米市渡附近，傍晚渡过黄浦江，突破守军阻击，以主力向松江前进。中国守军第62、第79师分别向亭林镇、金山城发起反击，伤亡较大。指挥松江地区防御的第8集团军副总司令黄琪翔，组织第62、第107、第108、第26、第79师固守黄浦江各主要渡口，阻敌第6师、第18师渡江。
日军参谋部为统一上海方面作战指挥，11月7日决定将上海派遣军与第10集团军编组成华中方面军，松井石根上将为司令官。其目标是：“以挫伤敌之战斗意志，获得结束战局的机会为目的，与海军协同消灭上海附近的敌人。”并规定：“华中方面军作战地域为联接苏州——嘉兴一线以东。”＇〔日〕防卫厅防卫研究所战史室：《中国事变陆军作战》（1），朝云新闻社，1983年增印，第397页。＇
8日拂晓，日军第10集团军主力渡过黄浦江，与中国军队第108师激战。9日占领松江城。
对日军第10集团军在金山卫的登陆未能扼制，其主力登陆后又未能阻止其向纵深扩张，在此情况下，中国军队本应果断撤出上海，向第二防线转移。
当时副总参谋长白崇禧、军委会第一部作战组长刘斐及第15集团军总司令陈诚等人，都曾就此向蒋介石提出正确的建议，蒋也采纳了这个意见，并对前线下达了向吴福线＇吴县至福山。＇转移的命令。但下令后的第二天，蒋又突然召开紧急会议，幡然变计，说现在准备召开九国公约会议，只要我军在上海继续顶下去，九国公约国家将会主持正义，制裁日本，结束中日战争。因此，要收回撤退命令，让各部队仍回原阵地死守数日。这一决定使守军丧失了主动转移的有利时机，直至阵脚开始混乱，第3战区指挥部才于8日夜命令各部队向吴福国防线转移。
9日，守军开始全线撤退。右翼作战军第9、第15两集团军开始沿京沪线两侧地区撤退，因遭敌机轰炸，联络中断，陷于混乱，险成溃退。为掩护右翼作战军后撤，左翼作战军第15、第21两集团军在新泾河一线坚守至12日夜，达成任务后，始向吴福线转移。
为掩护上海方面中国守军顺利撤退，第67军在松江阻击由金山卫登陆的日军深入。11月6～8日，该军在松江县城与日军展开激战，击退敌多次进攻，完成了“死守三日”的任务，在向昆山突围中，军长吴克仁壮烈牺牲。
11月11日夜，中国守军在上海市南侧地区及浦东担任掩护之部队撤离。
被隔绝于上海市内的守军4000余人撤至租界。日军即向上海市西、南方向推进。11月12日，上海市区沦陷。
在淞沪会战中，中国海军与日本海军在长江展开战斗。8月16日晚，江阴区江防司令部派出102号快艇，自江阴经内河潜至上海黄浦江，进至距日军旗舰“出云”号300米处，向该舰施放两枚鱼雷，均命中爆炸，使日军旗舰遭受重创。中国快艇在返航中被敌击沉，官兵泗水离艇。8月中旬，中国海军派出“甘露”等舰在江阴下游破除航海标志，堵塞港道，阻止日舰溯江上驶，同时，抽调通济、大同、自强、德胜、威胜、辰字、宿字等舰艇，以及国营招商局和各轮船公司怔集的轮船23艘，合计35艘，下沉堵塞航道。
随后，又征用民船、盐船一批陆续下沉，填补航道空隙，并在江阴一段分布水雷。8月下旬，中国海军为保卫首都，派平海、宁海、应瑞、逸仙等舰开往江阴封锁线，协同其他舰艇实施防卫，并与来袭的日本飞机进行了频繁战斗，至11月下旬，共击落日本飞机7架，重伤日本军舰两艘。中国舰艇损失惨重，大部被炸沉或炸伤。
11月13日，日军占领上海后，为了切断中国军队主力的退路，并策应第10集团军登陆，将从华北调来之日军第16师在白茆口、浒浦口附近登陆，向常熟进攻，企图切断中国守军退路。上海派遣军除以两个师担任上海及后方要点的警卫外，集中7个师沿京沪铁路及其南北地区向吴福线进攻。在杭州湾登陆的日军第二梯队第114师于10日在金山卫登陆后，向嘉兴方向进攻。担任江防的中国守军第40师及第21集团军所属各师，与日军展开激战，掩护战区主力向吴福线转移。
11月19日，日军分别攻占常熟、莫城镇，苏州亦同时失陷。第3战区为避免与敌决战，乃于是日夜命各部撤向锡澄线。＇无锡至江阴。＇
这样，吴福线国防工事未来得及发挥作用即被日军占领。
日军统帅部曾规定华中方面军作战地域为苏州——嘉兴一线以东，至19日其各部进抵该线后，并未停止前进，决定乘中国军队撤退混乱之机，继续向西追击。20日，日本华中方面军决定向南京追击。
日军突破吴福线后继续西进。
23日开始向锡澄线发起进攻。蒋介石下令死守现有阵地，但溃退之势无法挽回。
25日无锡失陷。中国军队放弃锡澄线，一部沿京沪铁路向常州撤退，大部经宜兴往浙赣边境撤退。
27日日军切断江阴、无锡公路，29日攻入常州。
自锡澄线弃守后成为孤军的江阴要塞守备部队，从11月28日起受到日军围攻，与敌激战5日后，工事大部被摧毁，官兵伤亡甚多，遂向镇江方向突围。
12月2日，江阴要塞失陷。
11月9日，右翼作战军开始向乍平嘉＇乍浦经平湖至嘉兴。＇国防线撤退，遭敌第6、第18师迫击。与敌激战至14日，嘉善失守。
19日，苏嘉线＇苏州至嘉兴。＇与沪杭线交会点嘉兴被日军攻陷，乍平嘉国防线被突破。
守军退向南浔、青镇、长安、海宁一线。20日，蒋介石命令刚到达之第7军向吴兴急进，加强吴兴、广德地区防御，11月24日拂晓，日军在30余架飞机掩护下，攻占吴兴。30日占领广德。
12月初向宣城、芜湖西侵，主力北上进攻南京。此时，中国第7战区已经编成，刘湘上将力司令长官，即命第23集团军（川军6个师）支援第7军。
12月初，第21、第15集团军在第23集团军掩护下，经宜兴向孝丰、宁国附近地区转移；第23集团军亦向宣城以西及宁国转移；锡澄线守军即向南京转移。淞沪抗战至此结束。
淞沪会战从1937年8月13日开始，至11月12日中国军队西撤，历时3个月。在此期间，日本侵略军华中方面军，编成上海派遣军、第10集团军，下辖近10个师的兵力，共约28万人，动用军舰30余艘，飞�