淞沪会战打了一个多月，战事久拖不决大出日军意料。日军虽然凭借装备和武器优势，将中国军队的进攻一一挡回，但是中国军队前仆后继、英勇悍无畏的顽强地抗，也给一向以战无不胜自诩的皇军重大杀伤，日军进展却并无多少。
为了尽快结束上海战事，不使三个月解决中国事变成为一句空话和笑柄，日本统帅部不得已再次作出增兵的决定。将华北方面军所属第9、第13、第101师团转隶上海派遣军序列，此外，还从台湾调来了步兵旅团、重藤支队、第1后备步兵团以及伪靖安军第1旅、伪李春山旅和伪于芷山旅等部队，这样，加上原有的几个师团，日军到9月下旬在上海的兵力，光步兵就达到了当初松井石根要求的5个师团：第三师团：师团长藤田进，第11师团：师团长山室宗武，第九师团：师团长吉住良辅，第13师团：师团长荻洲立兵，第101师团：师团长伊东政喜。算上空军和海军的兵力，日军在沪总兵力达到20万人。
日军5个师团就相当于中国五个军，日本实力一下子大涨！在海面军舰配合下，空军缠住中国航空队，海军配合地面部队猛攻！
面对敌人调兵遣将，国民政府也决定迅速增派各省及中央军部队至淞沪参战。为打赢这场硬仗，蒋介石不惜血本，把当时的精兵良将几乎全部派到了淞沪前线。集团军中，除了原有的第8、第9、第15集团军外，又增加了薛岳的第19集团军、刘建绪的第10集团军，稍后，又调来廖磊的第21集团军。
9月21日，前线部队部署也做了调整，以应对作战需要：第15、第19集团军编为左翼兵团，陈诚为总司令，下辖3个军团、江防军总司令部及总预备队，共约16个师、2个要塞司令部、4个独立团、1个江苏保安队；作战地域为蕰藻浜以北的万桥、罗店、广福地区；第9集团军为中央兵团，朱绍良（取代因病调任大本营管理部任部长的张治中）为总司令，下辖7个军18个师、1个独立旅、1个炮兵旅、1个淞沪警备司令部和1个上海保安总队；作战地域为北站、江湾、庙行一线及其以西地区；第8、第10集团军为右翼兵团，张发奎为总司令，下辖10个师、3个独立旅、3个新编旅、1个中央军校教导总队和1个岸防部队；作战地域为苏州河以南至杭州湾北岸地区。加上不久后赶赴上海参战的第21集团军及川军刘湘部5个师，国民党军总兵力已达70个师、70余万人。
中国军队转入防御后，日军开始发动大规模进攻。9月22日，日军集中主力猛攻固守罗店的左翼军阵地，防守这里的第18军和叶肇第66军拼死抵御，阵地屹立不动。次日黎明至24日夜，日军复以两个师团持续冲锋，第159师、第160师遭受重大伤亡，阵地全毁，守军无一幸存。
然而日军也付出了惨重代价。第三战区司令长官部鉴于日军有以主力于宝浏公路两侧地区击破左翼军之势，为保存实力，持久消耗敌人，乃命令左翼军各部队逐次转入第二线阵地防守，相机打击日军。这时，松井石根见从侧翼突入包围中国军队的企图无法实现，于是决定改分割包围为中央突破，集中兵力进攻蕰藻浜一线。
10月1日开始，日海军、航空兵协同地面部队发起新的攻击。北路以山室宗武第11师团指向广福、陈家行；南路集中第3、第9、第13、第101师团强渡蕰藻浜，向大场、南翔进攻，以切断大场至江湾地区守军与外界联系，使之成为孤军。10月5日至9日，中国方面第8、第59、第61、第67、第77、第90师及税警总团等部队连日与敌浴血激战，因牺牲重大，无力再战，相继退出阵地。9日起，日军再度集中海空军火力，配合步兵向蕰藻浜南岸强攻，中国守军轮番上阵抵抗，经数昼夜血战，始得稍稍遏止日军攻势。
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