以“出云”号为旗舰的日军第三舰队，对中国军队构成最大的威胁。日本上海派遣军总司令白川义一就在这艘舰上。白川不断命令舰队的炮火支援陆军在虹口作战，运送并掩护增援的陆军在上海登陆。消灭日军第三舰队，是中国空军的紧迫任务。从广德起飞的二十一架美国造诺斯罗普轻型轰炸机，穿云破雾，来到波光粼粼的黄浦江上空。但是，他们只能轰炸日本军舰，万万不可炸错目标。黄浦江上不仅停靠着日本军舰，还有美国、法国和英国的军舰。
飞行员们低空飞行，仔细搜寻挂着太阳旗的目标。可是，日本军舰用高射炮和高射机枪组成了纵横交错的防空网，低空飞行要冒很大的风险。
一架中国飞机眼看就飞到“出云”号上空，被日军高射炮击中，飞行员身负重伤，拉杆跃升，拖着浓烟向“出云”号俯冲下去。只听得一声巨响，飞机和“出云”号相撞爆炸，日本水手死伤惨重，但“出云”舰庞大坚固，只受了一点损伤。
同一天，高志航的第四驱逐机大队击落了袭击杭州笕桥机场的三架日军飞机，击伤一架。
第二天，日军木更津空军联队的十八架轰炸机从台湾新竹基地起飞，轰炸杭州及广德的机常机群越海窜入笕桥上空，中国空军从笕桥机场紧急升空。高志航率领郑少愚和李桂丹的两个机群，共二十七架战斗机，分途拦击日军飞机，击落六架日机。这是中国空军的第一次空战，创下赫赫战果，自己的飞机没有一架受损。宋美龄当即建议：将8月14日定为中国空军节。
同一天，南京政府发表自卫抗战声明，宣布：“中国为日本无止境之侵略所迫，兹不得不实行自卫，抵抗暴力。”
15日，日军统帅部下令组建上海派遣军，任命松井石根为司令官,增派藤田进第三师团、吉住良辅第九师团和山室宗武第十一师团到上海，要求部队“与海军协同消灭上海附近的敌人，占领上海及其北面地区的重要地带”。松井石根狂妄地宣称：一个月内占领上海。
在此期间，年轻的中国空军，又与日军航空队展开激战，积极攻击进犯的日本陆军和舰艇。日军航空队出动六十多架轰炸机，分别袭击杭州、嘉兴、曹娥和南京的机常中国空军第九大队在曹娥上空击落四架日军飞机，第四大队在杭州上空击落十六架，并协同第三大队、第五大队和航校暂编部队，在南京上空共同击落十四架。
开战的第四天，日本航空队又出动二十多架轰炸机分别袭击中国各地，又被中国空军击落八架。经过三天激战，中国空军共击落五十五架日军飞机，给日军鹿屋航空队和木更津航空队以歼灭性的打击。木更津航空队长石井大佐几天后切腹自杀。
开战第五天，中国空军三个大队出动四十四架飞机，由副大队长孙桐岗及中队长刘粹刚、董明德和杨鸿鼎率领，分批前往虹口轰炸日军阵地，重创了日军地面部队，击落两架日军飞机。日军高射炮火猛烈射击，阎海文座机中弹，阎海文跳伞，降落在日军阵地，举枪击毙几名包围他的日军，用最后一颗子弹向自己射击，壮烈殉国，其余日军向他的遗体致敬，将他掩埋。不久，日本在国内举办阎海文事迹展览，吸引了成千上万日本民众参观。
开战第七天，中国空军为打击长江口外活动的日军舰艇，由第四大队和第二大队出动二十架战机，轰炸白龙港水域的日本军舰，沈崇诲驾机冲向日舰，炸沉巡洋舰一艘，自己壮烈牺牲。
空战的胜利鼓舞了地面部队。张治中集团军从15日起，在炮火支援下，向虹口和杨树浦的日军发起多次围攻，王敬久师占领了沪江大学，孙元良师冲入日军坟山阵地后受阻。在沈崇诲牺牲的那一天，宋希濂的第三十六师从西安赶到，投入了战斗，两天后攻入汇山码头，严重威胁日本海军陆战队。
日军重点在江湾路、北四川路、吴淞路至汇山码头一线防守，他们的司令部设在江湾路。张治中向王敬久师和孙元良师下达作战命令，要求他们力争在一周内消灭驻上海的日本海军陆战队。
孙元良师第二六四旅担负右翼主攻任务。旅长黄梅兴指挥第五二七团和第五二八团的炮兵，向江湾路的日军据点开炮。大炮轰鸣，好似暴风雨前的滚滚炸雷，震得大地颤抖。日军据点被炸得千疮百孔。黄梅兴下令冲锋，官兵们冒着密集的弹雨，冲过街巷，到达日军据点前，日军跳出来，两军白刃肉搏。黄梅兴旅用人海战术，龙腾虎跃，将疯狂的日军压制下去。在呐喊声中，日军一批批倒下。
黄梅兴旅拔除了一个个小据点，逼近日本海军陆战队司令部，遇到了日军的钢板屏障，炮弹打上去咣当一响，不是被弹了回来，就是在别处爆炸。据点内吐出长长的火舌，一批又一批官兵中弹倒下。进攻持续两个多小时，没有丝毫进展。黄梅兴请示孙元良，率部队转移到持志大学。
黄梅兴旅包围了持志大学，首先炮击高大坚固的建筑。里面的日军受不了强大的火力，向上海法学院逃窜。第五二七团第三连连长陈永水抱着一挺机枪，向逃跑的日军猛射。正在兴头上，被一发子弹击倒。副连长见陈永水牺牲，跑上去接过机枪，继续扫射。
黄梅兴命令方雨章的第五二八团抄近路拦阻逃跑的日军，把日军夹在中间，只用半小时就将他们歼灭。