中日都增兵后，双方在上海滩的鏖战更趋激烈。8月23日起，敌第3、第11师团在舰炮密集火力掩护下，向吴淞口铁路码头、狮子林、川沙口登陆，进攻宝山、月浦、罗店、蕴藻浜我军阵地。张治中派王敬久为淞沪前敌指挥官，指挥第9集团军所辖部队抗击登陆日军。与此同时，刚组建的第15集团军在罗卓英指挥下，向宝山、川沙口登陆之敌发起反击，第98师于8月24日击退攻占狮子林的日军，歼敌数千人。第11师冒着飞机猛烈轰炸，经艰苦战斗，收复罗店。日军不甘失败，调集坦克、飞机和重炮大举反扑，围绕罗店双方展开拉锯战。第11师会同原先防守在这里的第67师并肩战斗，以"一寸山河一寸血"的感天动地精神同日寇拼杀，战况之惨烈，为开战以来所仅有。守军阵地几经易手，往往得而复失，失而复得，阵地前尸积如山，血流成渠。第67师师长李树森身负重伤，第201旅旅长蔡炳炎及两个团长阵亡，两个师的营连长大半牺牲。血战至29日，罗店再告陷入敌手，刚刚从德国回国奔赴前线的黄维率第67师奋力突入，旋被击退。
日军为连接和扩大两个师团的登陆场，于9月2日至5日，连续以军舰、飞机、坦克支援，向防守月浦、宝山的中国第98师夏楚中部发动猛烈进攻，因伤亡过重，第98师撤出阵地。奉命坚守宝山的第583团3营500余人在营长姚子青率领下，与日军展开激战。日军炮火猛烈轰击，步兵轮番冲锋，然全营官兵抱与阵地共存亡之必死决心，一次又一次打退敌军疯狂进攻。日军恼羞成怒施放硫磺弹，城中燃起冲天大火，所有建筑化为瓦砾堆。战至7日晨，日军以坦克为前导始得突入城内，姚子青率全营官兵与敌巷战，打尽最后一颗子弹，至当日上午10时，除一人前夜受命突围向上级报告军情外，其余全部壮烈牺牲。
宝山保卫战进行的同时，罗卓英的第15集团军为克复罗店，与日军再度激烈交战。但日军在占领宝山后，以一部沿宝罗公路向西攻击，吴淞方面日军也越过泗塘河西攻，日军尚不断在各地登陆，中国军队顿时面临腹背受敌的威胁。至9月中旬，敌军后增援兵陆续开到，中国方面因无力占据海、空控制权，在进攻敌据点、抗击敌登陆和逐地争夺战中损失惨重，部队疲惫至极，被迫转入防御。这之前，9月6日，第三战区发布的第二期作战计划："战区以持久抗战之目的，限制登陆之敌发展，力求各个击破之效。各个击破不能达成时，则依次后退于敌舰射程外之既得陆地，施行顽强抵抗，待后方部队到达，再行决战而取最后胜利。"已做好攻坚不利转而实施防御作战的准备。
9月9日，日军沿军工路、淞沪公路和月浦、罗店之线向中国军队发动强大攻势，我军同敌展开殊死搏杀，9月11日，第15集团军右翼阵地被突破，部队减员严重，遂渐次退至罗店以南施相公庙、浏河之线预筑阵地，第9集团军亦转移到北站、江湾、庙行、蕴藻浜右岸之线预筑阵地，与日军形成对峙。
日军逐渐掌握战场的主动权，日本最高层决定将侵华的主要作战方向由华北转移到上海，并要求加快上海战役进程，"大致以10月上旬为期，在华北与上海两方面发动攻击，务必给予重大打击，造成使敌人屈服之形势。"