面对自9月下旬以来日军的大规模进攻，中国军队虽经苦战，阵线仍被不断压迫后移。10月1日晚，第三战区司令长官部鉴于敌有以主力于宝浏公路两侧地区击破左翼作战军的企图，为保存实力、持久消耗敌军计，乃令左翼军各部队向蕴藻浜南岸沿陈家行、杨泾河西岸、浏河镇之线转移，进入第二线阵地，继续防守，相机打击敌人。左翼作战军所属各部队，自当日夜，在敌猛烈攻击中相互支援，逐次向后撤退，至10月3日拂晓之前，完成新阵地的占领。此时，日本上海派遣军司令官松井石根鉴于中国军队逐次抵抗，罗店西南战况胶着不明的状态，从侧翼突进包围中国军队的企图无法实现，遂决定改分割包围为中央突破，以3个师团集中攻击大场镇地区。由此，战役焦点转移到蕴藻浜一线。
枪炮声稀疏了两天之后，从9月27日又开始响起。该日，在飞机坦克和重炮的策应下，大队日军向中国守军的警戒线猛攻，火力侦察和实力试探的目的，是准备发动第四次总攻。
炮战拉开了全线总攻的帷幕。从浏河、罗店、刘行、大尝江湾至闸北八字桥一线，到处都传来日军炮火的狂吼声。仅9月30日一天粗略统计，敌军发射炮弹3000发以上。总攻的重点仍是罗店。在炮火掩护下坦克为前导的大队日军从罗店与刘行之间突破，眼见越来越近的敌人，守军排炮齐发，当即击中坦克2辆，其余的首尾难顾，只好掉头就退，跟随铁甲的步兵在猛烈的炮火下不敢前进。
罗店西北的岳王庙、曹王庙一线守军，在敌倾盆暴雨般的轰击炮火面前，工事坚固，官兵英勇异常。乘着朦胧的月色，守军组织了一支又一支突击队猛烈出击，像刺刀直插入敌阵，连克吴家宅、严宅、丁家桥等大小村庄。日军不善夜战，更怕便衣袭击，中国军队臂缠白布为号，奋勇冲杀，敌军闻风而退。经查，敌川崎大尉、齐田中尉、鹤长三义少尉以下260多人伤亡。中国军队获步枪143支、左轮手枪5支、高机枪2挺、炮兵观测镜及文件等，还有鹤长少尉来不及发出的三封家信。另一路突击罗店的部队，在敌尸身上搜得两本日记本。山田少尉在日记中说：
10月2日，我率领士兵49人（其中19名系临时征集者）向罗店阵地进攻，中队长千田大尉在后面督战。敌虽顽强，我们奋勇迎击，可是千田大尉头部贯穿，其他一等兵战死8名，负伤者17名，如此比例言之，敌此役之伤亡必超过半数……
另一位不知名的士兵在日记中写了一封给他母亲的信，节译如下：
……别后乘轮船到了中国的上海，我们是拂晓登陆的，登陆后就立即投入了战斗。我们开到了第一线作战，所以没有时间给您写信，请原谅。想必母亲想念我一定痛心。这里整天响着炮声，敌人隐隐约约地能看得到。不多久，就见到了伤亡的士兵，真有一种奇妙和讨厌的感觉。过了两三天，我们的军旗护卫小队被歼灭了。虽然身经种种危险，幸亏托赖守护神的庇佑，我还幸存着……
我第16师彭松龄部之46旅在罗店南一线防守。从27日中午开始，先是小部敌人接触，黄昏时大队飞机赶至反复轰炸，炮火狂轰，9辆坦克后面的大股日军沿公路而来，守军给予迎头痛击，敌不支而退。第二天，日军又以飞机大炮狂轰滥炸，工事及铁丝网全部摧毁。轰炸了整整一天，守军伤亡甚多，阵地上的每一把泥土都是热的，每一把泥土中都有或大或小的弹头和弹片。
9月29日拂晓，1000余日军像蝗虫般地开始了冲锋。他们以为经过一天的轰炸，中国守军已经变成了血肉的泥土。但待其靠近，没有伤亡或者轻伤的官兵将满腔的仇恨化作怒火，和新增援的预备队一起，以迅猛的动作出击。喊杀声在清晨的原野上震荡，勇猛的肉搏战连续了几个小时。日军退缩了，阵地前留下了五六百尸体。守军也付出100多人伤亡的代价，第2营接替3营上了阵地。
10月1日早晨，日军改变了战术，先以大小钢炮轰击，后是飞机随处投弹，借助炮火掩护日军以开掘机和人工进行土工作业，企图挖掘战壕逼近守军阵地。守军则沉着等待。日军声东击西，从左翼发起了进攻。守兵将计就计，在正面还击的同时，派出一部分兵力迂回到日军侧翼两面夹击，敌军损兵折将，只得败退。连续的冲锋和反冲锋无论进攻或防守，兵员和弹药的损耗相当巨大，日军仗着不断的增援有生力量而保持着进攻的锐气，中国守军这时候人员伤亡已过半数，有的部队只剩下三分之一。坚持在罗店阵地防守的第11师在10月1日至5日的第四次《战斗详报》中说:"连日来，我官兵忠勇精神殊堪嘉许，应知现代国际战争之胜负不决于战场局部地区之夺取，而决于战斗力之延长。第一次世界大战可为先例所藉。战斗力者一为人员，第二为弹药。人员弹药补充而使用得当，胜利之券自可操持。……本师连日以来虽将强敌摧破，而自己之人员弹药消耗殊堪惊人。究其最大原因，为不知隐蔽身体与不知沉着射击…… "
这时候，罗店镇西3里地的东林寺，争夺十分激烈。东林寺地势较高，这是一座古庙，东南北三面有小河环绕，是整个阵地的突出部，在这里眺望，可瞰视和射击日军的要点阵地。为此，敌我反复争夺这一高地。第11师12团的1营1连打退了几次敌人冲锋后，在9月29日终因寡不敌众，全连与阵地同归于荆幸亏3连和2连的一个班加上重机枪排及时增援，才将敌人反击出去。
增援的66团3营因无立足之地，庙宇林木成了一片废墟，日军的炮火荡平了这片高地。官兵几度反攻，终因血溅阵地，残兵含恨退守。
目睹这惨烈战事的人写了《血战东林寺》的七律发表在上海的报纸上，诗曰：