第9集團軍則奉命放棄寧滬鐵路（南京—上海）以東的大部地區。
至9月17日，中國軍隊撤至北站、江灣、廟行、羅店、瀏河一線，與日軍對峙。
9月，蔣介石兼任第三戰區司令長官，21日再次調整部署。
第9集團軍為中央軍，朱紹良任總司令，位於北站、江灣、廟行一線及其以西地區。
以第8、第10集團軍為右翼軍，張發奎任總司令，位於蘇州河以南至杭州灣北岸地區。
以第15、第19集團軍為左翼軍，陳誠任總司令，位於蘊藻浜以北的萬橋、羅店、廣福地區。
9月中下旬，日軍新增調第9、第13、第101師及重藤支隊（台灣旅）到上海，加入上海派遣軍戰鬥序列。
10月1日，日海軍、航空兵協同地麵部隊發起新的攻擊。
北路以第11師指向廣福、陳家行；南路集中第3、第9、第13、第101師強渡蘊藻浜，向大場、南翔進攻，守軍頑強抗擊。
15日，日軍突破蘊藻浜，蔣介石急調第21集團軍10個師加入中央軍序列，以其3個師從大場附近向南路日軍反擊。
另以左翼軍4個團在廣福南側向北路日軍反擊，均未突破日軍陣地。
22日，日軍集中第3、第13、第101師進攻第21集團軍，在廟行和陳家行之間突破守軍陣地，26日攻占廟行和大場。
蘇州河北岸的中央軍腹背受敵，於27日放棄北站、江灣陣地，向蘇州河南岸轉移。
第88師第524團團副謝晉元率第1營官兵繼續堅守蘇州河北岸的四行倉庫，孤軍奮戰4晝夜，於31日奉命退入公共租界。
日軍大本營10月初決定將侵華戰爭主要進攻方向從華北轉向上海方麵，急從華北、東北、國內抽調部隊，於20日組建第10集團軍援滬。
11月5日，由集團軍司令官柳川平助率第6、第18、第114師及國崎支隊（第5師第9旅），突然在杭州灣的全公亭、金山衛間登陸，策應上海派遣軍實施迂回包圍。
當時杭州灣北岸的守軍，大部已調去支援上海市區作戰，隻有第63師的少數部隊守備，猝不及防。
日軍占領沿海地段後，迅以第6師進攻鬆江和閔行，以第18師進攻金山和廣陳。
第三戰區急調第62、第79師分別阻擊日軍第6、第18師，均被擊退。
日軍6日占金山。7日，上海派遣軍和第10集團軍奉命合編為華中方麵軍，由鬆井石根統一指揮，企圖對上海守軍迅速達成合圍。
戰局急轉直下，8日蔣介石下令全線撤退。12日，上海失守，戰役結束。
是役曆時3個月，中國軍隊雖多，但分散在各自防區死打硬拚，注重正麵防禦，忽視側翼安全。
日軍裝備優良，取正麵強攻，屢遭挫敗，改從側後登陸，迂回成功。
日軍參戰兵力達9個師22萬餘人，傷亡9萬餘人。
中國軍隊參戰兵力共6個集團軍約70個師計70餘萬人，傷亡25萬餘人。
淞滬守軍浴血奮戰，使日軍被迫轉移戰略主攻方向，打破其3個月滅亡中國的迷夢，為中國沿海工業的內遷贏得了時間，激發了中國軍民的抗戰熱忱。