至9月中旬，日軍在上海的兵力達十萬人以上、重炮三百多門、坦克戰車二百多輛、飛機三百餘架、大小戰艦七十餘艘。鬆井決心以陸海空軍三棲兵力在大上海與中國軍隊實行立體決戰。他確定了新的作戰方針：“以第三、第十一及應先到達的第一○一等三個師團攻擊南翔——大場鎮一線之敵，其作戰方向為經劉家行附近向大場鎮方向消滅上海北側地區之敵；在此期間，命重藤支隊與第十一師團協力消滅羅店鎮附近之敵，並確保該地以北，掩護日軍側背安全。”
日寇磨刀霍霍。國民政府大本營也在急速調兵遣將：再次向上海增加兵力，並將戰區劃分為左中右三大作戰集團：右翼作戰區司令官張發奎，轄第八、第十集團軍；中央作戰區司令官朱紹良，轄第九集團軍及第十八、第六十一師、獨立第二十一旅；左翼作戰區司令官陳誠，轄第十五集團軍及新編第十九集團軍。此時，淞滬戰場中國軍隊已集結兵力達四十餘萬，均為國軍精銳之師。
9月23日拂曉，日軍集中約兩個聯隊的兵力向陸福橋至楊家橋第十九集團軍第六十六軍陣地發起猛攻，一陣重炮轟擊過後，硝煙未散，一層層新土裸露出來。彈坑被埋平、山包被削平，再削平。日軍即以戰車掩護步兵衝鋒。雙方軍隊反複肉搏，兩軍均有重大傷亡，在這一線阻擊敵人的是第九集團軍。雖號稱集團軍，其部屬孫元良第七十二軍（原八十八師）、王敬久第七十一軍（原八十七師）、宋希濂第七十八軍（原三十六師）整軍編製依然僅有一個師兵力；抗戰爆發以來轉戰南北，兵困馬乏。中國軍隊失利，退至江家宅沿蘊藻浜至陳家行，沿楊涇河、廣福、孫家宅至施相公廟二線陣地。9月25日，日軍以兩個師團兵力繼續猛攻，30日拂曉抵進陸宅。守衛部隊第六十七師一連苦戰數晝夜，冒著日軍重炮、飛機轟炸和坦克的衝擊，誓死不讓寸土。陣地被敵人炮火摧毀，他們就將戰死的的戰友屍體壘成工事，與日軍血戰，前仆後繼，直到最後一人。用武士道精神訓練出來的日本皇軍，殺人不眨眼，甚至以危急時刻剖腹成仁為最高道德。而此時，他們麵對中國軍隊驚天地、泣鬼神的血戰守土精神，驚恐失色。士兵哭泣著哀歎：我們回不去家了。
戰局變換，到了關鍵時刻！
10月1日，日本政府召開四相會議（首相、外相、陸相、海相），決定再次增兵，擴大對華戰爭。會議形成《處理中國事變綱要》進一步明確“軍事行動之目的，在於使中國迅速喪失戰鬥意誌。應采取適當手段使用兵力占據要地。”
1937年10月25日，上海北大門大場鎮陷落。
由於中國軍隊的頑強抵抗，羅店戰事呈膠著狀態，從側翼包圍中國軍隊的企圖無法實現，鬆井石根決定改變原計劃，實行中央突破。計劃攻陷上海市區北大門大場鎮，然後進入蘇州河一線，切實消滅上海以北之中國軍隊，再向南翔進攻，以至占領上海。
10月5日起，日軍第九師團和新到達作戰位置的第十三師團向蘊藻浜地區發動猛攻，遭中國軍隊左翼作戰部隊頑強阻擊，雙方激戰四晝夜，各有重大傷亡。中國方麵第七十七、第五十九、第九十、第六十七師及第六十六軍教導旅不得不撤到後方整補，由後續部隊接防。8日，日軍強渡蘊藻浜，與守軍第八、第六十一師及稅警等部短兵相接，重創國民政府軍，日軍越過蘊藻浜，直犯大場鎮。
一場惡戰在即！
由於大場鎮戰事至關全局，第三戰區急令第二十一集團軍向大場鎮增援，並調整戰略部署，對日軍來犯之敵實施反擊。第二十一集團軍新組未幾日，剛剛從華北戰場撤下鞍馬未歇，征塵不洗，即投入戰鬥。不料，第二十一集團軍當麵之敵正是日軍主力。戰鬥打響後付出重大犧牲仍無所進展。左翼第十五集團軍亦未能得手。戰鬥酷烈為中華有史以來抵禦外侮之罕見：每小時陣亡數以千計，傷亡總數達三分之二，旅、團級軍官傷亡半數以上，部隊不停地補充，而且每次幾乎都是整團為單位。
三路軍總司令細察戰況，決定後撤，報與蔣介石，蔣不允；再報，則嚴令“有敢擅自撤退者，軍法從事”。三路軍不敢違命，硬著心執行肉彈戰術。24日，日軍乘勝進犯大場鎮，在敵強大陸、空火力打擊下，大場鎮中方陣地大部被毀。次日，大場鎮失守。至此，中國軍隊四麵受敵，退路極有被切斷之虞。
此役，日軍傷亡近六萬人，亦是日俄戰爭以來苦戰惡鬥的最高記錄。
然而，情勢依然緊迫。
10月26日，日本參謀本部急於在滬方麵取得預期戰果，決定第三次增兵上海！淞滬之戰從8月至10月雙方拉鋸相持已兩個月。在中國軍隊的英勇抗擊下，日軍雖已增援兩度達六個師團，且擁有大占優勢的武器裝備，但仍不能盡速解決戰局。日軍每前進一步都要付出沉重代價。
參謀本部總長閑院宮電報火速抵達鬆井手中。於是從華北抽調第六、第十八、第一一四師團，國崎支隊，獨立山炮第二聯隊，野戰重炮兵第六旅和第一、二後備步兵團，組成第十軍，計劃從杭州灣北部登陸，協助上海派遣軍作戰。又令第十六師團加入上海派遣軍戰鬥序列。如此，參加上海方麵作戰的日軍兵力達兩個軍九個師團，比整個華北戰場日軍的全部兵力尚多兩個師團。海軍作戰力量也有加強，由第三艦隊及第四艦隊組成“中國方麵艦隊”，長穀川清任司令官兼第三艦隊司令官。
10月29日，蔣介石乘火車，親赴淞滬戰場，召集師以上幹部會議，聽取戰爭彙報之後，他慷慨激昂發表講話：“倭寇揚言三個月滅亡中國，現在打了近三個月，連我們一個上海還沒占去。各位統帥所部，努力抵抗，不惜以壯烈的犧牲，給倭寇以絕大的打擊。此種為主義、為國家拚死抗戰的精神，已經充分地表現出來了。一般外人看見中國軍隊裝備欠缺、武器不良，以為一旦對日作戰，必不能抵禦侵略。可是我們不但打了，而且堅持住了。近三個月來，我們雖然沒有得到大的勝利，但在我們預定的消耗戰和持久戰的策略之下，已經使敵人受到意外地打擊，在精神上我們已實在打敗了舉世共棄的倭寇！”
1937年11月6日，一隻巨型宣傳氣球升騰飄浮於上海市區外高空。上書：“百萬日軍杭州灣登陸！”
中國最高軍事指揮機關判斷失誤，增援日軍部隊幾乎未遇任何阻力順利登陸，淞滬地區中國軍隊腹背受敵，上海危在旦夕！日寇益愈猖狂。7日，參謀本部將上海派遣軍與第十軍編組成華中方麵軍，鬆井石根被任命為司令官。參謀本部規定其作戰目標：“以挫傷敵之戰鬥意誌，獲得結束戰局的機會為目的，與海軍協同消滅上海附近的敵人。”
參謀本部為鬆井石根劃定的作戰區域為聯結蘇州——嘉興——線以東。但實際上，從鬆井在東京接受上海派遣軍司令官任命時起就私下決定突破上海防線之後，追擊南京，逼蔣介石政府作城下之盟！
至此，滬杭鐵路已被切斷，艱苦鏖戰中的中國軍隊將後退無路。苦戰近三個月，在日軍強大攻勢下，中國軍隊戰線已亂，前線指揮官傷亡嚴重，已無法控製軍隊，前線各路指揮幾度請求審時撤退，都被蔣介石嚴辭拒絕。