中国军队这时也适时增添了援兵，新组成的第15集团军赶到。由军政部次长陈诚担任总司令（兼第三战区前敌总指挥）的该集团军，汇集了几支国民党中央军中的绝对主力，包括陈诚赖以起家的第18军（军长罗卓英），号称"天下第一军"的胡宗南第1军、俞济时的第74军（稍后编入。这个军就是后来孟良崮战役中全军覆没的整编第74师的前身）。刘和鼎的第39军战斗力稍差。蒋介石肯掏出家底子，不能不说此时他有了跟日本人玩命的意思。他蒋介石为求"和平"解决"冲突"，自"九.一八"以来一让再让、一忍再忍，日本人却不识好歹、步步紧逼，兔子急了还咬人，更何况他堂堂蒋委员长？8月24日18时，罗卓英向第18军所属部队发布进攻命令：第98师（附炮兵1个连）由刘行向宝山--狮子林之线攻击前进，主力保持于左；第11师（附炮兵1个连）由罗店及其西南地区向月浦、狮子林、石洞口之线攻击前进，攻占月浦、狮子林后，以主力由月浦镇向石洞口、川沙口攻击；第67师以1个旅协助刘尚志第56师守卫浏河阵地，主力控制于罗店，另以一部向沈家桥附近前进，掩护第11师左侧安全。
8月25日凌晨，第67师201旅在旅长蔡炳炎带领下奉命向陆家宅之日军第11师团一部3000余人发动攻击，士兵们勇猛冲击，一往无前，杀敌无算。未几，敌大队人马涌到，两军你来我往，好一场大厮杀。日军依然是重炮、飞机开路，步兵紧随其后冲锋，我抗日官兵殊死相拒，一时间，阵地上硝烟弥漫，枪炮声、喊杀声响彻天地。激战中，蔡炳炎旅长向全旅官兵立下军令：
"本旅将士，誓与阵地共存亡，前进者生，后退者死，其各凌遵！"
战至午后，全旅伤亡殆尽，402团团长李维藩及多数营、连、排长阵亡，蔡炳炎情急之下率领惟一的特务排和1个营杀入敌阵，正当此时，一发子弹飞来贯穿蔡旅长的胸部，当即倒下，牺牲之前兀自扬手高呼："前进！前进！"
当晚9时，在南京的蒋介石闻丢失罗店，电令第18军军长罗卓英：
一、今晚必须收复罗店，占领罗店后，即在罗店附近构筑野战工事，一面在淑里桥、南长沟、封家沟构筑据点工事；
二、第11师、98师仍照预定目标攻击前进；
三、第14师留一团在太仓，一团在福山口构筑工事，主力今夜应向嘉定、罗店推进；
四、第61师在大尝杨行一带赶筑工事。
8月27日，战况更趋惨烈。当夜，罗卓英调集部队由月浦、新镇、罗店、蒲家庙之线继续向登陆日军冲击，日军主力第11师团以大炮、飞机、坦克应战，小小的罗店再度被炮声、杀声淹没，双方来回拉锯，反复冲杀。白天是日军逞威的时候，飞机、大炮、坦克齐上阵，把中国军队阵地前变成一片火海，守军只好退出阵地。夜晚则是我军大好反攻时机，趁着敌人优势装备无法发挥威力，一阵猛打撵出敌军，夺回白天丢失的阵地。日军进攻往往从天蒙蒙亮即开始，先以飞机轰炸为前奏，稍后即退去，再从己方阵地升起载人观测气球，引导海军及炮兵实施二次炮击，最后坦克掩护步兵推进。我军白天躲于棉花地，夜间控断公路，埋设地雷和集捆手榴弹，设置障碍物并伏于两侧，待敌坦克出来受阻于障碍物之际，与后面步兵展开贴身肉搏。这种战法不失为聪明，屡收奇效。
罗店争夺战时刻揪着蒋介石的心，他深知，罗店虽乃江边弹丸小镇，面积仅2平方公里，但却为通往宝山、上海市区、嘉定和松山等几条公路的交叉点与枢纽，罗店一旦有失，全局势必震动。于是蒋介石几次三番下令：罗店关系重要，必须限期攻克，全体将士有进无退，有敌无我，不成功便成仁。陈诚信誓旦旦：不惜一切，保证完成任务。
同罗店之敌第11师团展开对峙的我军主力为彭善的第11师和李树森的第67师，两个师携手战斗，轮番上阵，业已坚守5昼夜之久，无数次打退日军进攻。在给敌以重创的同时，两个师的官兵更承受巨大的伤亡，数字达到令人惊骇的地步。相继阵亡1个旅长、2个团长，营、连、排一级的军官战死更是数不胜数，第67师师长李树森将军也负重伤，无法继续指挥，从德国紧急应召归国的黄维火线接过了师长指挥鞭。
战斗还在继续，日军在后继部队到来之后发动更猛烈的攻势，炮弹铺天盖地，雨点一般泼洒向守军阵地，炮火所到之处烈焰升腾，血肉横飞。中国守军拼死对垒，子弹打完了，就冲出战壕与敌白刃格斗，坦克上来了，身上绑着手榴弹冲过去与之同归于荆双方都死伤累累，日军每前进一步也要付出惨重代价。
28日，坚守罗店的中国军队与敌连日激战后，因伤亡过大，阵地被敌突破。29日，黄维率第67师重新夺回，受到敌人强大火力轰击，尚未站稳又被迫撤出，罗店终告陷落敌手。此后，双方争夺重点转向罗店外围，你攻我守，你守我攻，激烈程度有增无减，胶着对战一刻也未停止。
如果说第一次世界大战中的凡尔登是一架"绞肉机"，淞沪会战中的罗店则是一座不折不扣的"血肉磨房"：尸积如山，血流成河，整个城镇片瓦无存，惟余焦土，惨酷之状，不忍卒睹。