罗卓英奉令后，即督率各师向日军进攻，演成惨烈的罗店争夺战，双方死亡惨重。李树森师再度攻克罗店，终因敌军炮火猛烈，至29日晚罗店再陷敌手。罗卓英遂调整部署，确保宝山、狮子林、月浦之线后再图反攻。日军为打通淞沪与罗店间的联络，然后再进攻嘉定、南翔，以截断淞沪我国守军与后方的联络，于8月底起将攻势转向吴淞口、江湾方面。第三战区前敌总司令部为加强该方面的警备，除部署夏楚中师防守宝山、狮子林、月浦阵地外，又调周碞第六师、王耀武第五十一师、阮肇昌第五十七师守其外围据点。8月31日起，日军舰三十余艘、飞机十余架即不断在吴淞口江面袭扰扫射。9月1日9时许，以藤田师团主力突然向狮子林、月浦一带阵地发起进攻，与守军展开激烈的战斗。5日，敌军为打通吴淞、狮子林间交通，以战车三十余辆为前导，全力向周碞师阵地猛扑，周师伤亡过半，旅长翁国华自戕，被迫后撤，于是狮子林、吴淞间联络被敌打通，陷宝山城守军八十九师姚子青营于重围。9月5日晨，日军藤田师团一部在军舰排炮袭击和飞机轮番轰炸的配合下，并以坦克十余辆向城门猛冲，姚子青率守城健儿与敌人死拼，终因兵力单薄，屡次电夏楚中请援，而夏的复电仅是胡宗南率第一军已到杨行，正向宝山急进来搪塞，始终未见援兵。姚只得率残余守军与冲入城内的日军进行巷战，双方逐屋争夺，战至6日上午10时城陷，全营五百余人英勇牺牲。
在8月底日军转移兵力进行狮子林、宝山战斗之际，罗卓英为牵制敌人兵力，于9月2日又发动对罗店战线日军山室师团的进攻，经过四天的激烈战斗，将日军压缩于罗店镇内。为策应江湾作战，6日罗卓英两次接到蒋介石的电话及微侍秘京电谓："罗店关系重要，须要限期攻下。要求将士有进无退，有我无敌，不成功便成仁……凡贪生怕死、临阵畏怯不能发扬战术与武器威力者，同侪将士，应共弃之。凡信仰动摇，精神松懈，不能尽其责任，而贻误战机者，同侪将士应共除之……"同日14时又接到战区前敌总司令陈诚颁发的发动对罗店前线敌军进攻的部署，罗卓英于6日夜在嘉定战斗司令部发布了四攻罗店的命令。经过彭善、霍揆彰、李树森三个师在夏楚中师的配合下顽强攻击，扫清外围之敌，将罗店镇敌人加以包围，正待由敌人右侧背席卷歼灭之际，当晚接到了宝山城已被攻陷，敌人淞沪、狮子林之间交通已被打通，天谷、浅间两个支队正沿宝罗公路西犯，守月浦的夏楚中师侧背感受威胁，罗卓英以敌我态势已变，遂调整部署，停止对罗店的围攻。
9月9日起，日军的前哨与据守月浦一带阵地的夏楚中师开始接触。10日9时后以停泊在石洞口、狮子林、宝山江面之海军舰船三十余艘密集炮轰，并佐以飞机数十架、坦克八辆支援陆军，向月浦以东的孙宅、周宅向思敏团阵地猛扑，周宅失而复得三次，向率部力战负伤。敌人同时猛攻月浦北端阵地，团长路景荣、团副李馨远等均力战殉国，阻止住敌人的攻势。11日拂晓，日军复以陆、海、空优势兵力猛攻月浦东端阵地，月浦东街中弹起火，阵地遂被突破，守军被迫退入镇内与敌军巷战，以后霍揆彰师一部赶到增援，始将敌人反击出城。迄下午3时，防守月浦右翼杨家行阵地的李铁军第一师因受炮火及坦克车猛冲，与夏楚中师接邻的第三团放弃阵地后撤，遂致月浦前线的夏楚中师亦被迫后撤。至是，日军藤田师团与张华浜及虹江码头之敌联成一气，沿宝刘公路向杨行突进，9月11日攻占杨行，接着又沿宝刘公路西向进攻刘行。日军登陆的两个师团很快会师，遂停止进攻罗店。我国军队战役进攻阶段至此告一段落。
日军上海派遣军司令官松井石根，指挥两个陆军师团和海军陆战队因久战不能击破中国军队的抵抗，8月31日向陆军大臣和参谋总长提出要求："根据上海的敌情及地形，要给南京军以大的打击，最小限度也需要五个师团。"9月5日日军参谋本部派赴上海视察的第三课部员西村敏雄少佐报告称："（一）敌人的抵抗实在顽强，无论是炮击还是被包围，绝不后退；（二）估计敌人第一线兵力约十九万，第二线停战区内有二十七至二十八万；（三）中国居民对敌人有极其强烈的忾心；（四）由于调军舰运送紧急动员的部队，派遣军后方接济不上，两个师团陷于严重的苦战中。"日本军部对往上海派兵意见仍不一致，最后主张增兵的陆相杉山元接受了松井石根的要求，决定再次对上海增兵。石原莞尔不同意增兵，向参谋总长辞职。然后参谋总长载仁亲王于9月6日15时晋谒天皇上奏："内定增派第九、第十三、第一○一师团及台湾守备队（用以占领崇明岛飞机场）到上海，派后备步兵十个大队到上海。"经天皇批准后，9月11日日军参谋本部即以临参命第九十九号派吉住良辅第九师团，荻洲立兵第十三师团、伊东政喜第一○一师团及野战重炮兵第五旅团、独立野战重炮兵第十五联队、独立工兵第十二联队及第三飞行团到上海，编入上海派遣军战斗序列。
（二）中国军队战役防御阶段（9月24日至10月25日）
日军的三个半师团及其他特种部队于9月下旬陆续在上海登陆后，松井石根于29日颁布如下作战指导决定：
（一）不是攻占杨泾西岸的敌阵地，而是以主力从左边回旋到南，从右面以第九、第三、第一○一师团为第一线，准备对大场镇附近进行攻击。
（二）使第十一师团进入杨泾一线，回旋掩护右侧面。
（三）以第十三师团作为第二线兵团，保持在军主力的右翼后面。
（四）以上述部署的兵力攻击大场镇附近的敌人，进入苏州河一线。在此期间，随着军主力的南进，第十一师团主力尽可能向南面移动，面向西掩护军主力的侧面。
在松井石根未展开对大场阵线攻势前，9月下旬，以新增援的台湾重籐旅团协助山室师团将守罗店一线的罗卓英军驱赶到罗店西南两侧；其藤田师团亦在增援的伊东师团先头部队的支援下，对刘家行-顾家宅一线的薛岳第十九集团军吴奇伟、叶肇、阮肇昌等部发动进攻，经过五六天的激烈战斗，到9月30日，罗霖师防守之万桥、严宅及阮肇昌师防守之陆桥等处阵地同时被日军突破。陈诚指挥的左翼方面军为阻止敌人前进，遂下令各部向蕴藻浜南岸转移，布阵于陈行-广福-施相公庙-浏河之线防守。
10月初旬，中日双方军事指挥官都在调整部署，故淞沪前线曾有历时一周的沉寂。这时日军从日本国内和台湾增援来的三个半师团及由华北调来的十个后备步兵大队及伪满军李寿山、于芷山等部总兵力达到十九万余人。我国军队除开战初期即投入战场的蒋军嫡系张治中、陈诚、胡宗南等部外，又陆续调来薛岳、余汉谋粤军和何键湘军、李宗仁桂军、杨森川军及东北军、西北军、豫军、浙军、闽军、鄂军及收编的湘军、黔军、北洋军等部约计七十余万人，布阵于西起于江阴要塞，经福山、白茆口、浏河、双草墩、施相公庙、广福、陈行、顾家宅、夹蕴藻浜南北岸经庙行、江湾、北站、闸北、浦东、乍浦至杭州湾之线。
松井石根为了早日拿下上海，在其国内的近二十万大军调到上海后，即采取中央突破的战术，于10月初沿沪太公路南下，向蕴藻浜进犯。当时防守这一带的兵力为阮肇昌指挥的陶峙岳、彭松龄两师湘军及阮自率之五十七师，经过激烈战斗，陶师官兵伤亡殆尽。6日晚，陶师在黑大黄宅的阵地被日军突破，使日军在黑大黄宅至东西赵家角之线建立起宽约二公里的桥头堡，11日敌军在南岸部队的掩护下陆续强渡，企图进占大场、南翔，截断闸北、江湾、庙行方面朱绍良中央方面军的后路。蕴藻浜的守与失，关系上海几十万守军的命运，为此，陈诚将在昆山整理的胡宗南军及新开到的黄杰税警总团投入战场，以堵塞黑大黄宅的缺口。由于敌人攻势猛烈，接着又从右翼军调来李觉第十九师，刘雨卿第二十六师及新开到的杨森川军投入战场。日军因弹药特别是炮弹补充不及时，第一线师团得不到炮兵的充分援助，致担任正面突击的藤田、吉住两个师团只能利用战壕蚕食方式前进，故进展甚为迟缓。陈诚为了扼制敌人的攻势，拟定了乘敌人攻击疲惫，以有力的生力军向渡过蕴藻浜南岸之敌猛烈进攻，压迫敌人于江边而歼灭的计划。经蒋介石批准后，以新开到的廖磊第二十一集团军六个步兵团为第一路攻击军，由谈家头、陈家行正面攻击前进，十九集团军的叶肇第六十六军为第二路攻击军，由孟家宅、马家宅正面攻击前进，第十五集团军的夏楚中师为第三路攻击军，由广福、黄家宅正面攻击前进，第一线正面各师除守备阵地外，应各编成数个突击队向敌人阵地出击，以策应攻击军的战斗。以上军队均归薛岳指挥。19日夜，各部按照作战计划开始前进。至20日，陈行以北的叶肇、夏楚中两路攻击军及各军的突击队，虽遭到敌人的抵抗，均能突进数百尺及两千公尺，唯向蕴藻浜南岸攻击的广西部队，因系新扩编的部队，缺乏战斗经验，前进时方向弄错，以致互相冲突，又误认敌人施放的烟幕为毒气，互相惊扰，而敌人的反击重点又选择于蕴藻浜南岸，以飞机、大炮集中轰击，故桂军遭受极大损失，很快退出战场，撤退回嘉定整理。其他各路军也于21日停止攻击。
桂军在国民党军队中素以慓悍善战著称，经投入反击日军在蕴藻浜的登陆战仅仅两天即被打垮，阵亡旅长秦霖、庞汉桢，阵亡营长五人，伤营长十二人，连排级军官及战士死伤不计其数，桂军遂一蹶不振。陈诚为堵塞蕴藻浜南岸的缺口，急将右翼军所属的李觉、朱耀华、刘雨卿、冯兴贤等师调至大场战场，又从中央军调来李玉堂、李韫珩两个师及左翼军的彭善、霍揆彰、汪之斌三个师来堵塞敌人的攻势，但激战数日又不能支持，遂于24日逐次撤退至大场，走马塘之线固守。25日，敌人又以绝对优势的兵力发动了对大场的围攻。大场及其外围为湘军朱耀华师及旧西北军冯兴贤两师防守，他们刚开到战场，仅筑有简单的野战工事，经敌人由东、西两侧突进，冯师不战而溃。朱耀华率部与敌人在大场鏖战竟日，力竭自戕，大场遂于26日失陷。日军攻下大场，即切断了沪宁铁路，这样就形成对防守闸北、江湾、庙行一线的朱绍良中央军的包围态势。为免于守上海市区的军队被日军围歼，第三战区前敌总指挥部于26日起主动调整战线，除以八十八师的谢晋元团固守北站及四行仓库掩护全军撤退外，中央军各师急忙转移到沪西丰田纱厂，沿苏州河南岸经江桥镇至南翔，与南起南翔经陈家行沿杨泾河经广福镇西行至施相公庙、双草墩、浏河一线的薛岳左翼军相连接，构筑野战工事，层层设防，阻击日军前进。
此时上海抗战已近三个月，战区的战地指挥官和南京大本营的参谋人员以及负责战场指挥责任的陈诚、白崇禧、刘斐等，都坚决主张将淞沪战场的部队撤退到北起长江的福山，经苏州沿太湖东岸经过嘉兴至杭州湾乍浦，这条被视为马其诺防线的国防线再从事抵抗。战区指挥部已下达了撤退吴福、乍嘉线的命令，有的部队已撤出阵地行动。但蒋介石忽又变卦，幻想正在布鲁塞尔召开的九国公约会议会作出决定制裁日本，上海前线部队再支持十几天再撤，将会加强我国的地位，于是又命令部队再返回阵地，结果是已撤出阵地的军队难以返回，而敌人也希望在九国公约开会前解决上海战事，对我撤退中的部队跟踪猛追，致王敬久、孙元良、宋希濂等师及胡宗南军团受到惨重损失。
（三）中国军队溃退阶段（10月27至12月14日）
日本军队从9月下旬起对淞沪战场已投入近二十万人的兵力，始终不能击破我国军队的抵抗，日本军部对松井上海派遣军的苦战极其忧虑。为了抢在九国公约开会前解决上海战局，接替石原莞尔任作战部长的下村定，于10月4日召集作战部课长及有关人员，以"是把华北方面的作战扩大，进行山东作战呢？还是适可而止把华北作战停止在一定地带，而把兵团调到上海方面呢？"为议题进行讨论。鉴于上海派遣军伤亡严重，①于5日作出决定从华北调用兵力，把主要作战转移到上海方面。参谋本部于6日上奏天皇批准后，于9日决定抽出正在平汉线正定追击我国军队的第六师团及在山西晋东北作战的第五师团第九旅团以及国内派遣来的第十八师团，第一一四师团编组成第十军，由柳川平助任司令官，预定27日在杭州湾乍浦登陆。为了加强第十军的兵力，还于10月20日以临参令第一百二十号将野战重炮兵第六旅团、独立山炮兵第二联队、第一后备兵团、第二后备兵团（包括后备步兵十二个大队）编入第十军战斗序列。同时将原来海军第三舰队分编为第三、第四两个舰队，增加"足栖"号巡洋舰为第四舰队旗舰，协助第十军登陆作战。鉴于上海派遣军增加到五个多师团，到10月中旬还不能击破我国军队左翼军的反攻，日军参谋本部于10月17日又决定从津浦线德州抽出第十六师团入列上海派遣军，与第十军杭州湾登陆相配合，在常熟以北白茆口登陆，以切断上海守军的后路。
松井石根指挥的上海派遣军，为策应柳川第十军在杭州湾登陆，于攻占大场后休整了四天，30日开始向苏州河南岸发动攻势，分别由周家宅、姚家宅两处突破我守军的防线。周家宅渡河之一路属于佯攻，兵力较少，经黄杰税警总团的反击，敌人只能据守坚固工事防御，在金山卫登陆前未能扩张战果。而姚家宅渡河之藤田、吉住、伊东等师团兵力强大，经李玉堂、钟松、黄维等师及桂永清的教导总队围攻多日，未能将敌人击破，至11月8日因日军第十军在金山上登陆，苏州河守军腹背受敌，中央军各部纷纷向青浦撤退。
柳川平助的第十军各师团，11月初分乘两个船舶梯团（每梯团约船舶五十艘）集结到马鞍群岛，5日海军第四舰队约三十几艘船艇突然向杭州湾沿岸的奉贤、柘林、金山卫、乍浦、澉浦等城镇发炮轰击，并派几艘炮舰向镇海进行佯攻。接着在空军的掩护下，谷寿夫师团及配属该师团指挥的国崎登旅团在金山卫西侧金山咀、牛岛师团在金山卫东侧全公亭分别登陆成功。7日起，为了统一指挥侵入上海的日军，根据临参命第一百三十号，编组华中方面军，以松井石根兼司令官，塚田攻为参谋长，武籐章为副参谋长，指挥上海派遣军与第十军对我国第三战区的部队作战。接着免去松井兼职，任命日本皇族朝香宫鸠彦为上海派遣军司令官。