但是，國民政府在部署防務的同時還在積極活動，希望在滬有重大利益的英、美等國出麵調停，以結束衝突。31日，英、美兩國駐滬領事邀請中日雙方代表吳鐵城、區壽年(第78師師長)、村井、鹽澤在英國領事館直接交涉。英方提議：日軍退入租界，中國軍隊由現地後退2000米，由中立國軍隊在緩衝區代為警備。何應欽在會議時致電吳鐵城：“我國目前一切均無準備，戰事延長擴大，均非所利，各國領事既出麵調停，請兄等酌量情形，斟酌接受。”蔣介石也認為：“隻要不喪國權，不失守土，日寇不提難以忍受之條件，我方即可乘英美幹涉之機，與之交涉；不可以各國交涉，我反出於強硬，致生不利影響也。”因而，中方代表當即接收英方的建議。但日方代表則表示向政府請示後再做答複。這顯然是推托之詞、緩兵之計。2月1日，蔣介石在徐州主持召開了軍事委員會會議，商討對日作戰問題。最後議決在全國劃設4個防衛區：以張學良、蔣介石、何應欽、陳濟棠分任第一(黃河以北)、第二(黃河以南、長江以北)、第三(江南及浙、閩)、第四(兩廣)防衛區司令長官，並電令川、湘、黔、豫、贛、鄂、陝各省出兵作總預備隊。同時將京滬地區的軍隊作了部署調整：第61師將鎮江的防務交予第87師，部隊開上海大場鎮附近；第88師主力集結蘇州，為第19路軍預備隊，以1個團加強江陰要塞的防守力量。另外電令駐開封的炮兵第1旅撥野炮8門、重炮4門開駐蚌埠、滁縣一帶待命。
日本得知上海日軍進攻閘北失敗的情況後，陸軍大臣荒木貞夫、參謀總長閑院宮載仁親王、海軍軍令部長伏見宮博恭王及有關各大臣舉行了內閣會議。2月2日，經裕仁天皇批準，決定向上海增派部隊，擴大侵略。當日，日本海軍將準備增援及已在上海的部隊組成第3艦隊，由野村吉三郎中將任司令官，並調植鬆煉磨少將為在上海的海軍特別陸戰隊指揮官；陸軍令第9師團緊急動員，做好去上海作戰的準備，並將第12師團的步兵第24旅團配屬以騎兵、炮兵、工兵等特種部隊，組成混成旅團為先遣部隊。由於陸軍和海軍在指揮權上產生矛盾，直至2月6日，混成第24旅團才在佐世保集結乘船，跟隨野村吉三郎所乘“出雲”艦向上海進發。
日本海軍於1月末來援的“加賀”、“鳳翔”兩艘航空母艦、第2驅逐隊的4艘驅逐艦，以及特別陸戰第4、第5、第6、第7四個大隊先後於2月初到達上海。此時野村尚未到滬，上海日軍仍由鹽澤指揮。為了掩護及接應日本海軍艦隊進入黃浦江岸登陸，鹽澤決心攻占吳淞要塞。
2月3日，日軍破壞停戰協議，再度向閘北發動進攻，同時又以軍艦20餘艘、飛機10餘架轟擊吳淞炮台。中國守軍在閘北地區擊退了日軍的新進攻，但傷亡較大，於3日晚調第60師第120旅接替閘北防務，憲兵第6團擔任曹家渡、中山路警戒；第156旅撤離閘北，其第5團增援吳淞，第6團撤至金家角地區休整。
2月4日，日軍發動第一次總攻，以數千人分3路會攻閘北，數百人攻擊八字橋，但在中國守軍的頑強抗擊下，日軍承認“進展不易”，被迫於午後撤回原進攻出發陣地。同日11時，日軍以軍艦13艘、飛機24架猛烈轟擊吳淞要塞。至13時，要塞炮6門被毀，要塞司令鄧振銓棄職逃走，但部隊仍堅守陣地頑強抵抗。5日，軍政部命第78師副師長譚啟秀任要塞司令，繼續指揮守軍作戰。激戰至5日16時，日軍在遭受嚴重殺傷後退回原陣地。
5日，日軍再次進攻閘北，守軍頑強戰鬥，陣地失而複得。日“海軍陸戰隊指揮官認為敵人的後方陣地很堅固，若不付出較大犧牲難以攻破，”於16時下令停上攻擊，撤回原陣地。至此，日軍發動的第一次總攻被粉碎。
日軍總指揮鹽澤幸一曾揚言上海一旦發生戰事，4小時即可了事，但在第19路軍的英勇抗擊下，狂言化為泡影，鹽澤幸一本人因指揮進攻失敗，被撤職回國。對此，美國記者埃德加·斯諾曾評論說：
“在現代恐怕沒有其他海軍司令象鹽澤上將（少將）這樣在他被免去在上海的高級指揮權以前的幾天裏接二連三地犯這樣多的錯誤了。這些錯誤全都由於他最初低估了敵方的士氣和力量。他把整個戰役建立在一種迷信上，似乎隻要一揮動日本國旗就能使中國軍隊落荒前逃。”