山室师团第一梯队在川沙口一带登陆后，陈诚集团军刚刚编成，部队没有到达指定位置，日军迅即攻占了狮子林炮台、月浦和罗店，继而向浏河与宝山进攻。下午，陈诚的部队先后赶到，罗卓英的第十八军协同霍揆彰军实施反击,当晚收复罗店，第二天收复宝山、狮子林和月浦。
山室师团后续梯队登陆后，陈诚集团军的反击受阻，双方形成对峙。日军主力向罗店方面反扑，双方开始巷战，罗店数次易手，最后由于守军伤亡过重，罗店被日军夺占。
日军暂时休整了几天。31日凌晨，八架日机突然飞到吴淞江岸，丢下三十多颗照明弹，把守军阵地照得透亮。接踵而来的三十多架轰炸机，把地面炸得翻了个边，摧毁了所有的工事。飞机一走，藤田师团第六十八联队在吴淞登陆，二千多名日军发起冲锋，守军第六师伤亡过重，无法抵抗，不到一小时，日军占领了吴淞。
松井石根为连接和扩大两个师团的登陆场，派出一千多人的部队从狮子林和吴淞两面夹击宝山。守军第九十八师奋力阻击，组织了四道防线。日军夺取宝山不到一小时，第九十八师发起反击，白刃搏斗，重新夺回宝山，双方形成拉锯战，共达十二回合。守军每一次夺回宝山，都付出巨大的代价。
9月2日，二千名日军借着炮火的威力，在宽达两公里多的战线上发起攻击，多次企图包围守军未果。日军往往在白天包围了守军，守军在晚上左冲右突，又冲出了包围。战斗异常激烈，尸体堆积如山。
9月5日，日军集中三十多艘军舰，掩护陆军向宝山发起猛攻，守备宝山的五百名官兵，在营长姚子青率领下，浴血奋战，击退日军的多次进攻，顽强坚守了三天。日军用炮火摧毁城墙，用战车堵击城门，集中海陆空火力轰击，全城燃起烈火，姚子青率领部队同日军巷战，又奋战了两个昼夜，多数官兵壮烈牺牲。中国军队不断派部队增援，结果伤亡巨大。第三战区命令部队改为守势。
这时，日军将两块登陆场连成了一片。陈诚集团军重创了日军，自身严重减员，奉命撤出阵地。张治中集团军则奉命放弃宁沪铁路以东的大部地区。17日，中国军队全线退守北站、江湾、庙行、罗店西南和双草墩一线，继续与日军对峙。
松井石根见伤亡与日俱增，两个师团两万多人已伤亡大半，便请陆军部增兵，理由是守军抵抗实在顽强，估计第一线兵力约为十九万，第二线停战区内还有二十七八万，加上中国居民对日军同仇敌忾，不利于日军作战。此外，上海派遣军接济出现困难，两个师团陷于严重的苦战。
陆军部对松井石根的要求意见不一。以陆军大臣杉山元为首的官僚坚持派兵增援，而作战部长石原莞却持反对意见。他说，日军总兵力为七十三万人，国家小，资源少；而中国的总兵力为二百万，地方大，资源丰富。如果长期打下去，所有日本人参军都打不赢这场战争。
参谋总长载仁亲王听到两种意见，倾向于杉山元的立场，但他担心说服不了石原莞，便上奏天皇。奏本说：“上海之战有望获胜，但须增兵，拟增派第九师团、第十三师团和第一○一师团约四万人到上海，并派后备步兵十个大队增援，总计六万兵力。”
裕仁天皇放下奏本，反问载仁亲王：“增派三个师团，是否就能占领上海？”
载仁说：“不仅可以占领上海，还能占领南京”
天皇需要的是胜利。他批准了增兵计划。日军总参谋部又增调野战重炮第五旅团及独立野炮第十五联队、独立工兵第十二联队和第三飞行团开赴上海，统归松井石根指挥。
松井石根得意了。日军在上海的总兵力已达到二十万人。增援的三个师团开到上海，他便发起全面总攻，战线北起浏河，南到高桥，采取宽正面突破。中国新增援的六个师全是桂系部队，由白崇禧指挥，迎着日军的坦克和大炮冲锋，并不讲究战术，全当了日军的活靶子。一颗炮弹爆炸，死伤就有二三十人。六个师上去，半天就没有了。
9月底，日军加强兵力，向守军防线发起猛攻，突破了几处阵地。陈诚的左翼作战军逐渐后撤，守军防线整体已经变形。日军继续向蕴藻浜方向猛攻，牛行方面的中国守备部队陷于苦战，伤亡较重，第三战区马上派新调来的廖磊第二十一集团军增援。
10月的第一天，日本陆海空军发起新的攻击。第三战区担心日军突破大场，威胁中央作战军的侧翼，组织了一次反攻。陈诚集团军、薛岳第十九集团军和廖磊集团军是反攻的主力，重点反攻蕴藻浜方向。
中国守军接连苦战了两个月，素质较好的老兵伤亡巨大，各部队战斗力大大下降，发起反攻之后，很快被日军各个击破。没几天，日军就突破了蕴藻浜，蒋介石急调廖磊集团军十个师加入中央军序列，动用其中的三个师从大场附近向南路日军反击，另派左翼军的四个团在广福南侧向北路日军反击，都没能突破日军阵地。
10月初，日军大本营决定将侵华战争的主攻方向从华北转向上海方面，急忙从华北、东北和日本国内抽调部队，组建了第十军增援上海的日军。
22日，日军集中三个师团进攻廖磊集团军，在庙行和陈家行之间突破守军阵地，向庙行和大场发起猛攻。孙立人的税警第四团驻守大场镇，日军连攻四天，发现税警第四团是块啃不动的硬骨头。孙立人对士兵们说：“你们好好把握住机会来杀这些攻打我们的万恶敌人。可是日本人在火力上比我们强，我们必须以谋取胜，切不可鲁莽而作无谓的牺牲。”