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。次日黎明至24日夜，日军复以两个师团持续冲锋，第159师、第160师遭受重大伤亡，阵地全毁，守军无一幸存。然日军也付出惨重代价。
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。这时，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，集中兵力进攻蕴藻浜一线。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师团强渡蕴藻浜，向大尝南翔进攻，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，中国方面第8、第59、第61、第67、第77、第90师及税警总团等部队连日与敌浴血激战，因牺牲重大，无力再战，相继退出阵地。9日起，日军再度集中海空军火力，配合步兵向蕴藻浜南岸强攻，中国守军轮番上阵抵抗，经数昼夜血战，始得稍稍遏止日军攻势。
10月15日，日军突破蕴藻浜，战局再度告急。正在此时，从广西调来的第21集团军抵达淞沪前线，蒋介石急忙将该集团军10个师编入中央军序列。第21集团军属李宗仁、白崇禧桂系王牌部队，以能打能拼在国民党地方军中享有威名。白崇禧这时向蒋介石献策，认为纯粹被动防守非长久之计，徒增伤亡更无法取胜，必须以一支主力突击部队主动出击，实行积极防御的策略，他建议让第21集团军担当此责。白对自己部队过去反蒋及围剿红军之功绩一向得意，对其战斗力也极为自负，蒋介石正焦头烂额，苦于已无兵可用，正好求之不得，顺水推舟答应。下达了实施反击作战的命令。10月19日，中国守卫蕴藻浜南岸的部队，配合廖磊第21集团军发动全线反击。当日，日军吉住良辅第9师团、伊东政喜第101师团及第3师团一部，亦向蕴藻浜南岸发起猛攻。第21集团军官兵甫上抗日战场，毫无与日军交锋经验，缺少重炮武器，以血肉之躯冲进密集弹雨，成为日军练习射击的活靶子。激战至25日，伤亡极大。仅仅数天，该集团军仅旅长即阵亡六七人。所属3个师从大场附近向南路日军的反击均告失利，部队被迫撤退。左翼军4个团在广福南侧向北路日军的反击作战，也被日军击退。
日军乘机展开反扑，兵锋直指大常10月23日，日军以重兵直趋真太公路，威逼大场左翼。刘行方面日军，渡过蕴藻浜后攻向大场以西塔河桥，我军第18师朱耀华、第26师刘雨卿、第67师黄维等部经过艰苦抗击，阻住日军攻势。此时，中国军队从大场东面，经大尝市中心向东北而成一半圆形阵线，绕于江湾以北。庙行、大场位置突出，遂成日军眼中钉，肉中刺，必欲拔之而后快。日军调集各种火炮、飞机集中猛烈轰击，方圆数里，几为焦土。日军接着又以40余辆战车为前导，掩护步兵夺占胡家桥、塔河桥、走马塘等处阵地。为保存实力，守军在作出最大努力抵抗后向南翼转移，大场失守。此战中国军队又蒙受惨重伤亡，第18师几乎全军覆没，师长朱耀华悲愤难当，当即拔枪自戕。
大场丢失，全线撼动，使得中央军侧翼的安全受到威胁，第三战区只得作出放弃北站--江湾阵地之举。部队撤退到苏州河南岸，左翼军也奉命转移，至10月28日，中国军队退入浏河、沈家桥、朝王庙、徐家行、广福、陈家行、江桥、北新泾至梵王渡一线的第二期既设防御阵地，新防线长达35公里。
在全军撤退苏州河南岸之时，蒋介石想到苏州河以北阵地亦不可轻易拱手奉送日军，此时他已获悉国联要在11月初在日内瓦开会，届时将接受中国控诉，因此，为了获取国际舆论的同情与支持，有必要留下少部兵力坚守苏州河以北地区，直至会议召开。也就是说，这支留守部队的作用不过是打一打做个样子给外国人看，并无多大军事上的意义。经蒋介石本人亲自下令，第88师孙元良部524团团副谢晋元率领该团主力1个营400余人（对外称800人，故后来这支部队被誉为"八百壮士"），据守闸北四行仓库，担当此项任务。奉命后，谢晋元即指挥官兵与前来进攻的日军展开战斗，周旋3昼夜，毙敌百余名，而所坚守的四行仓库阵地始终岿然不动。最后在租界各国的请求之下，这支力战不屈的孤军，才于10月31日夜奉命退入公共租界。"八百壮士"英勇事迹轰动中外，一时声名远扬，虽然于战局无补，但是震慑了日军，极大地振奋了全国人心，也赢得国际舆论一片称颂声，被一些国际人士誉为"抗日奇迹"，政治作用还是不容低估的。