8月下旬，日军援兵抵达上海战区，在沿江宽广的战线上全面登陆，战局急转直下，从8月下旬起直至9月中旬，第3战区中国军队对沿江登陆的日军进行了英勇抗击，但因损失过大，被迫转入防御。9月6日，第3战区新任司令长官蒋介石大元帅发布第2期作战计划，“战区以持久抗战之目的，限制登陆之敌发展，力求收各个击破之效。各个击破不能达成时，则依状况逐次后退于敌舰射程外之另设阵地，施行韧强抵抗，待后方部队到达，再行决战而收最后胜利。”
蒋介石一向喜欢追求高目标，今日能退此一步实在不易，为此，白崇禧、刘裴等高级幕僚费尽了唇舌，才促使蒋后退这一步。这也是没办法的办法。
9月13日，日军重藤支队、第101师团、第9师团先后到达。日本上海派遣军决定以第3、第11、及第101三个师团进攻华军南翔至大场一线阵地，并以重藤支队协同第1师团攻击罗店附近中国守军。14日起，敌军在飞机、战车和火炮掩护下向中国军队发起全线进攻，重点指向宝罗公路东南方。第15集团军各师与敌在潘泾河附近淑里桥一带激战，双方损失惨重。17日，第18军撤至杨家宅、陆福桥、施相公庙一线，终于制止了日军攻势。日军此刻急于全面击溃中国守军，解决上海战事，见消灭中国军队之企图不能实现，乃改向西进攻、企图压迫中国军队后退。
21日，针对敌情变化，蒋介石调整部署，将第3战区中国几十万大军分为右、中、左三个战区。右翼作战军司令官张发奎，辖第8、第10集团军；中央作战军司令官朱绍良，辖第9集团军及第18军、第61师，独立第21旅；左翼作战军司令官陈诚，辖第15集团军及新编成的薛岳第19集团军。
左、中、右三路中国军兵力已近70万，在日军面前筑起了一道坚固的防线。
23日拂晓，日军约两个联队首先对第66军陆福桥至杨家桥间阵地发起进攻，不断以重炮猛烈轰击，并以战车掩护步兵冲锋。中国军队在各级长官严令下死守不退，与敌反复肉搏，阵地失而复得，得而复失，反复拉锯血战，双方伤亡惨重。次日，中国军队在左翼作战军调整阵线，以江家宅、窦家弄、孟湾、颐家镇、北店宅、太平桥、周家牌楼、万桥、罗店南端经施相公庙、朝王庙至浏河为主阵地；以江家宅沿蕴藻浜至陈家行，沿杨泾河、广福、孙家宅至施相公庙为二线阵地。25日，日军以两个师团的兵力继续猛攻，至30日拂晚进抵陆宅。该处第67师一个连苦战数昼夜，与敌展开白刃肉搏，前仆后继，最后仅2人生还。同日由于第77师万桥阵地被敌突破，左翼军各部只得按计划撤往蕴藻浜南岸之原定第二线阵地。
上海大战愈演愈烈，久不能胜，搅得东京寝食难安。10月1日，日本首、外、陆、海四相会议经过一番激烈争吵后，认为骑虎难下之时，只能坚持打下去，遂决定扩大侵华战争，制定了《处理中国事变纲要》，进一步明确“军事行动之目的，在于使中国迅速丧失战斗意志。应采取适当手段使用兵力占据要地。”
日上海派遣军司令官认为，由于中国军队的顽强抵抗，罗店西南战事呈胶着状态，从侧翼包围中国军队的企图无法实现，决定改为中央突破。计划于攻陷大场后进入苏州河一线，消灭上海以北之华军，然后向南翔进攻。
松进石根大将确定新的方针后，便火速调整部署。这一变化竟使恶战多日的上海出现了少有的沉寂。可惜的是，精疲力竭的中国军此时也急需休整，补充一个个被打残了的师、团，因而错过了反击日军的良机。
5日，日军第9师团和新到达之第13师团向蕴藻浜地区发动猛攻，中日双言激战四昼夜，蕴藻浜尸积如山、血流成河，硬碰硬的正面交锋使双方都付出了惨重损失。在猛烈的进攻面前，中国守军伤亡更大，不得不令第77、59、90、67师及第66军教导旅撤至后方整补，由后续部队接防。8日，敌强渡蕴藻浜，第8、第61师及税警总团等部与敌激战数日，损失惨重，未能将渡河之敌歼灭，以致日军于黑大黄宅至东西赵家角一线构成宽约2里之桥头堡阵地，掩护其后续部队南渡，并进犯大场。
蕴藻浜失陷，大场便成了第一线阵地。
由于大场形势关系全局，第3战区急令新到之廖磊第21集团军向该方面增援，并于16日调整部署，将蕴藻浜南岸地区划归中央作战军负责。为恢复蕴藻浜南岸阵地，战区决定对敌实施反击。以新到之韦云淞第48军为1路攻击军，由黄港、北候宅、谈家头附近向蕴藻浜南岸之敌发起进攻，进出唐桥站、田都之线；以叶肇第66军为2路攻击军，由赵宅附近向东进攻，进出杨家宅、徐家宅一线；以第98师为3路攻击军，由广福南侧向孙家头、张宅一线进出；原守备各师编为1至3个突击队向当面之敌进攻，协助各路攻击军前进。
攻击开始后，蒋介石很快意识到日军的强硬。20日，第66军克服敌之顽强阻击，收复三新宅、唐桥头。但第21集团军当面为日军主力，21集团军虽拼死猛冲，付出重大代价仍未获进展。左翼第15集团军也未得手。蒋介石深知这两个集团军的战斗力，这两部反击失手，说明他当初估计过高。现在失手如再不改变战术，怕连阵地都守不住。21日，蒋介石一声令下，反击部队全线停止进攻转为防御。
22、23两日，敌以主力向第21集团军猛攻，北侯宅、沈宅、炎家头一线阵地被突破，第21集团军不得不撤至小顾宅、大场、走马塘、新泾桥、唐家桥一线。第9集团军左翼各师也随后撤至大场附近。24日，日军乘胜进犯大场。在敌强大陆，空火力打击下，朱耀华第18师苦战竟日，终因阵地大部被毁，至25日大场失守。朱耀华将军眼见1个师几乎全军覆没，阵地仍没守住，羞愤绝望之下拔枪自杀。至此，中央作战军四面受敌，退路有被切断之危险，遂于26日放弃北站至江湾间阵地，向苏州河南岸、江桥镇、小南翔一线转进。为掩护主力安全转移，第88师524团一营官兵在副团长谢晋元指挥下，坚守闸北四行仓库，孤军奋战阻敌前进，给日军以重大杀伤，扬威上海战场。
此时，蒋介石通过戴笠获悉，韩复榘串通西南、西北军企图分治，这一恶讯使他大惊失色。他当即决定将中路军总司令朱绍良派往兰州，制止韩复榘的分裂。将战区划为左右两路作战军。韩复榘使蒋介石犯了临阵换将之大忌。
从31日起，日军在周家桥、姚家宅、小家宅等处强渡苏州河。日军第3师团左翼一部刚渡过河，便因遭到守军阻击受挫，该师团右翼部队则于11月5日强渡成功。日军第9师团11月1日渡河后，中国军队从苏州河北岸南翔方面调来部队进行反击曾使敌军一度陷于困境。但日军第11师团攻占了南翔附近之江桥镇，威胁中国军队侧后，解除了其第9师团压力。9日，中国军队全线后退。日军第3、第9师团是日傍晚进抵龙华、高家湾，完成了对上海南市的封锁。中国留在南市及浦东地区之保安队等2000余人，继续坚持与敌作战数日，方停止有组织之抵抗。
战至10月底，上海已被硝烟、血火染透。日军速战速决的企图被彻底粉碎了。日军主力被蒋介石从日本国内、华北、青岛、台湾吸引到了上海。上海战场，已使日军付出了8万余人的伤亡代价。
日军统师部从上到下无不为之惊叹，世界舆论对中国军队的顽强抵抗也给予了极大的赞扬。
这是20多万中国将士的鲜血和生命换来的。留学德国而应召返回的国民党军黄维将军一踏上上海战场，便不得不从内心感叹道：“壮哉！真是一寸山河一寸血。”