19日，第9集團軍36師從西安趕到上海，師長宋希濂當即指揮全體官兵進入陣地，與第88師、第87師緊密配合，激戰一晝夜，突破日軍陣地。
20日，中國空軍配合陸軍進攻，轟炸日軍據點，多枚炸彈落在日軍駐上海海軍司令部據點。次日，36師官兵攻入彙山碼頭，致使日本海軍陸戰隊遭受嚴重損失。
此時，日軍經過兩次大增兵，在淞滬戰場上的主要兵力有藤田進第3師團、山室崇武第11師團、吉住良輔第9師團、荻洲立兵第13師團、伊東政喜第12師團。日軍增強了兵力兵器以後，開始對中國軍隊發起猛烈攻擊。
23日，日軍第3、第11師團等共8個旅團，在強大炮火掩護下，先以一部兵力沿蘊藻濱向黃浦江西岸登陸，再以主力在川沙河口、獅子林、吳淞一帶強行登陸。日軍對這次登陸進行了充分準備，中國軍隊一線守備部隊對此準備不足，沒有有效阻止日軍的衝擊。登陸日軍占領海際灘頭陣地後，一麵指揮後續部隊上岸，一麵向吳淞、寶山、羅店、瀏河之間地域發起攻擊，企圖擴大登陸地域。
第9集團軍總司令張治中，得知日軍兩個師團在吳淞一帶強行登陸，但由於設在南翔的司令部與各部隊的電話線大部被炸毀，通訊聯絡中斷，張治中立即率指揮部班子主要成員，前往江灣。
第87師師部設在江灣葉家花園。張治中騎著在中途攔下傳令兵的自行車，來到師部，分別聽取了第87師師長王敬久和第36師師長宋希濂的彙報，當即命令第89師、第11師向寶山、羅店疾進，堅決阻止上岸的日軍。
17時，一場反擊戰開始了。第89師官兵驅逐了占領獅子林的日軍。教導2團官兵同張華濱的日軍形成對峙。第11師官兵冒著敵機的猛烈轟炸，向羅店發起攻擊，殲滅部分日軍，收複了羅店。這次反擊戰鬥的勝利，不僅穩住了防禦正麵，也掩護了後方的交通，使後續部隊能夠陸續進入預定地域。意義重大。
24日，陳誠指揮第15集團軍先後到達上海。中國軍隊得到眾多兵力補充後，向日軍發起新的反攻。第98師組織力量對占領吳淞、寶山的日軍進行反擊，激戰至傍晚，殲滅日軍3000多人，把進攻吳淞之敵擊退。但日軍又於27日、31日組織多次反撲，中國守軍同日寇進行反複搏鬥，羅店等陣地數次易手，由於日軍第11師團投入較多兵力，中國守軍傷亡慘重。27日，羅店陣地最終被日軍攻占。31日，吳淞鎮再度被日軍攻占。
日軍占據羅店、吳淞鎮等據點後，又調集10多艘軍艦，於9月5日用軍艦火力掩護，向寶山發動猛攻。中國守軍583團第三營官兵在營長姚子青率領下，浴血奮戰兩晝夜，擊退日軍多次攻擊，終因雙方力量相差懸殊，500多名官兵大多以身殉國。
在抗擊日軍登陸的數十天激戰中，中國守軍盡管傷亡較大，但士氣高昂，作戰勇敢，麵對強敵連續進攻，寧死不屈。這不僅在軍事上延緩了日軍的進攻，還在精神上給日軍以強大壓力。日軍一些高級將領深感不安，上海派遣軍司令官鬆井石根再次緊急呼籲，要求日軍參謀本部增加兵力。日本海軍軍令部部長向天皇奏說：“上海的陸上作戰遲遲未有進展，需要加強陸軍兵力。”
日軍連續向淞滬戰場增加兵力，日軍統帥部決定，把侵華戰爭的主要作戰方向從華北轉移到上海。日軍製定《作戰計劃大綱》時明確提出：大致以10月上旬為期，在華北與上海兩方麵發動攻擊，務必給予重大打擊，造成使敵人屈服之形勢。
抗戰爆發後，白崇禧遵蔣介石要求，於8月4日乘蔣派的飛機由廣西直達南京，隨即被任命為副參謀總長兼軍訓部長。白崇禧到南京引起了日方的關注，日報曾以“戰神來到南京，中日戰爭不可避免”為題，對他進行了報道。這應該是兩方麵的原因：一是白崇禧到南京，說明蔣桂兩大軍事集團，團結抗戰的局麵形成；二是白對抗戰計劃有自己的見解。淞滬會戰不久，白崇禧到前線視察後，即建議蔣介石兼任第三戰區司令長官。
蔣介石接受了白崇禧的建議，於9月11日兼任第三戰區司令長官。這樣，蔣介石就把淞滬會戰的指揮權掌握在自己手中。
到9月中旬，中國軍隊陸續進入淞滬戰場兵力，已有4個集團軍，25萬人。
隨著會戰規模擴大，由薛嶽任總司令的第19集團軍，調到第三戰區。9月21日，蔣介石對中國軍隊防禦部署進行了調整。張治中由於過度辛勞，連走路都困難，調離淞滬戰場，擔任大本營管理部長。蔣任命朱紹良擔任中央集團軍司令兼第9集團軍總司令。陳誠擔任左翼作戰部隊的總司令，下轄第19和第15集團軍，原第15集團軍副總司令羅卓英，擔任該集團軍總司令。張發奎擔任右翼作戰部隊總司令，下轄第8和第10集團軍。這時，中國軍隊在淞滬戰場上已經有5個集團軍。
9月下旬，日軍上海派遣軍的總兵力達到20多萬人，即於9月30日拂曉，向中國守軍發動猛烈進攻，中國軍隊打得十分艱苦，傷亡慘重，萬橋、嚴橋、陸橋等多處陣地被日軍突破。
蔣介石得知這一情況，即問陳誠：“你認為應該怎麼打下去？”
陳誠認為，在日軍優勢裝備攻擊下，部隊已經無法再打下去了，他不便直說。便說道：“如果沒有援軍趕到，即應該轉移陣地，調整部署後繼續抗擊。”
10月1日，蔣介石命令左翼作戰部隊向蘊藻濱南岸、施相公廟、瀏河一線陣地轉移。10月上旬，中日雙方軍隊在蘊藻濱南陣地進行激烈爭奪，雙方傷亡很大。
中國軍隊為了加強中央防線的兵力，蔣介石命令廖磊的第21集團軍，加入大場方向作戰，歸中央集團軍指揮。並把蘊藻濱南岸地區劃歸中央集團軍防守。10月中旬，第三戰區調整部署後，於19日發起反擊。
中國軍隊發起反擊的時間，與日軍發動步兵、坦克、炮兵聯合進攻的時間相差無幾。中國軍隊雖然士氣高昂，但武器裝備落後，部隊連續作戰，傷亡很大，沒有得到及時補充，反擊乏力。27日，中央集團軍主力轉移到蘇州河南岸陣地，組織新的防禦。
第88師52團二營官兵接到命令後，誓死不肯後撤。副團長謝晉元、營長楊瑞符指揮全營800名壯士，在蘇州河北岸四行倉庫等地頑強阻擊日軍。連續激戰4晝夜，直到30日才退入公共租界。
中國軍隊800壯士英勇抗日事跡傳開後，受到國內外的廣泛讚揚，被一些國際人士稱為抗日奇跡。
11月初，蔣介石根據戰局變化，把戰役正麵劃分為左作戰軍和右作戰軍，撤銷了中央作戰軍。淞滬會戰以來，盡管蔣將國民革命軍的精銳投入了五分之二，由於中國軍隊的裝備落後，沒有製空權，始終未擺脫被動局麵。但堅守上海3個月，是日本侵略者始料不及的。