日本上海派遣军决定以第3、第11、及第101三个师团进攻华军南翔至大场一线阵地，并以重藤支队协同第1师团攻击罗店附近中国守军。14日起，敌军在飞机、战车和火炮掩护下向中国军队发起全线攻击，重点指向宝罗公路东南方。第15集团军各师与敌在潘泾河附近淑里桥一带激战，双方损失惨重。17日，第18军撤至杨家宅、陆福桥、施相公庙一线，终于制止了日军攻势。日军此刻急于全面击溃中国守军，解决上海战事，见消灭中国军队之企图不能实现，乃改向西进攻，企图压迫中国军队后退。
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，******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，中国大元帅愈发认识到上海战场的重要性，索性把冯玉祥调入6战区，而自己兼任第3战区司令长官，亲自指挥上海作战，并将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75个师、70余万人。
左、中、右三路中国军兵力已近70万，在日军面前筑起了一道坚固的防线。******在上海下了血本，就是要在上海与日本人拼个你死我活。
为了更有效地吸引日军，******经常不顾部下的劝告，不顾疲劳和危险，频频出现在上海前线，指挥督战。他早已下定决心要在上海设置一个大战场，他想把日本人的主力都拖进来，拖进他设置的大陷阱，他绝不能让日军速战速决。（战后多年，史学家对******这一手南北战略赞誉多于贬斥，日本战略家战后也承认，日军投入上海、华中，是陷入中国战场而无力自拔的一个败招。）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。23日拂晓，日军约两个联队首先对第66军陆福桥至杨家桥间阵地发起进攻，不断以重炮猛烈轰击，并以战车掩护步兵冲锋。中国军队在各级长官严令下死守不退，与敌反复肉搏，阵地失而复得，得而复失，反复拉锯血战，双方伤亡惨重。
次日，中国军队在左翼作战军调整阵线，以江家宅、窦家弄、梦湾、颐家镇、北店宅、太平桥、周家牌楼、万桥、罗店南端经施相公庙、朝王庙至浏河为主阵地；以江家宅沿蕰藻浜至陈家行，沿杨泾河、广福、孙家宅至施相公庙为二线阵地。
23日夜，日军复以两个师团持续冲锋，国军第159师、第160师以全体阵亡的代价坚守了12个小时。为此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。此时，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。
25日，日军以两个师团的兵力继续猛攻，至30日拂晚进抵陆宅。该处第67师一个连苦战数昼夜，与敌展开白刃肉搏，前仆后继，最后仅2人生还。同日由于第77师万桥阵地被敌突破，左翼军各部只得按计划撤往蕰藻浜南岸之原定第二线阵地。
上海大战愈演愈烈，久不能胜，搅得东京寝食难安。10月1日，日本首、外、陆、海四相会议经过一番激烈争吵后，认为骑虎难下之时，只能坚持打下去，逐决定扩大侵华战争，制定了《处理中国事变纲要》，进一步明确“军事行动之目的，在于使中国迅速丧失战斗意志。应采取适当手段使用兵力占据要地。”
日上海派遣军司令官松井石根认为，由于中国军队的顽强抵抗，罗店西南战士呈胶着状态，从侧翼包围中国军队的企图无法实现，决定改为中央突破。计划于攻陷大场后进入苏州河一线，消灭上海以北之华军，然后向南翔进攻。
松井石根大将确定新的方针后，便火速调整部署。这一变化竟使恶战多日的上海出现了少有的沉寂。可惜的是，精疲力竭的中国军此时也急需休整，补充一个个被打残了的师、团，因而错过了反击日军的良机。
从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，日军第9师团和新到达之第13师团向蕰藻浜地区发动猛攻，中日双方激战四昼夜，蕰藻浜尸积如山、血流成河，硬碰硬的正面交锋使双方都付出了惨重损失。在猛烈的进攻面前，国军第8师、第59师、第61师、第67师、第77师、第90师及税警总团等作战部队因连日与敌浴血激战，终因牺牲重大，无力对峙，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，始得遏止日军攻势。
蕰藻浜失陷，大场便成了第一线阵地。
