，上海浦东三林堂的淬火玻璃厂和淬火面粉厂也遭到日军飞机的轰炸，被迫全面停产，8月14日起，刘悟透就迅速把浦东工厂员工和重要设备船运至汉口。
8月底，7万日军凭借海陆空重型武器的巨大优势和极强的单兵训练素质，开始势不可挡全面反攻30多万的中国军队，在305毫米榴弹炮和无数迫击炮的轰炸下，招架不住的中国军队开始节节败退，损失惨重。
9月5日，日军集中30余艘军舰，掩护陆军向宝山发起猛攻，守卫宝山的第十八军第583团第3营500官兵，浴血奋战二昼夜，几乎全部牺牲。
9月初，蒋发现淞沪地区7万日军所向披靡，上海不保，他又紧急号召全国各地军队火速前来上海支援。
国民党中央军、川军、湘军、桂军、皖军、赣军、粤军、西北军、东北军，约70个师，共80万官兵，陆续赶赴上海地区，希望能以兵力人数优势压制住武器装备优势的7万日军。
病急乱投医，此时的老蒋认为上海战区的日军只有7万人，无法分兵，如果集合中国优势兵力，也能快速围歼狭窄地区内的这股日军，蒋就把守备杭州湾北岸10万兵力的张发奎第8集团军也调到淞沪战场加强进攻日本派遣军三个师团。
日本统帅部见主场作战的30万中方军队陡然增加至70个师80万人，担忧淞沪3个师团7万人的日军会吃亏，就又派遣本土日军第101师团、第9师团、第13师团赶赴中国上海支援华中日军，三个新派遣师团于9月底成功登陆上海。
日本统帅部又从中国华北战场抽调日军部队沿海船运，增援上海华中日军。
到10月初，日军在上海地区总兵力人数达到26万，而且都是训练有素的甲等精锐师团。在10月份，双方激战整整三十天，互不后退，挖深壕准备持续僵持对峙，奉陪到底，不决雌雄，誓不罢休。炮击白刃厮杀和飞机轰炸惨不忍睹，尸体堆积成山。赶赴的5万川军全军覆没，湘军也打成光杆司令，国民党中央军主力伤亡惨重。
战斗力较强的桂军第21集团军于1937年10月奔赴淞沪战场，在蕴藻浜战斗中，第21集团军四个师约4万人发起冲锋反攻，但因日方防线平均每17米就配备有一门火炮，且有240毫米榴弹炮和军舰舰炮支援，射程二十公里以内，而桂军的炮弹射程只有日军的四分之一，火炮数量更是只有日军的十分之一，双方根本无法近距离枪战。
桂军单兵素质也不比日军士兵差，但此时双方对抗完全被远距离火炮主宰。
在日军狂轰滥炸下，无法近身肉搏枪战的桂军4个师伤亡惨重，后续2个桂军接防也无济于事，6万精锐桂军被日军大炮轰死近5万，幸存万余桂军在大撤退时退至浙江修整。
尽管华中日军在火炮武器装备和单兵素质上占有很大优势，但中方援军正从全国各地源源不断赶赴淞沪战场，滇军、黔军、西北军，都在路上急行军，导致中日双方激战至11月初，双方势均力敌，日军在壕沟阵地战中仍未取得决定性胜利，未能占领整个上海，而且付出重大代价。
26万华中日军突然发现杭州湾北岸中国守军兵力空虚，这里是80万淞沪中方主力的侧翼，如果日军分兵登陆，前后夹击，就能包围淞沪地区的中国军队，上海地区的中国主力必败无疑。
天赐良机，稍纵即逝。11月5日拂晓，日军第6师团利用大雾大潮天气作掩护，秘密迂回在杭州湾的全公亭和金山咀登陆，对淞沪战场的几十万中国军队实现战略包围。
11月6日，华中日军第10集团军的二个师团共5万人占领杭州湾金山，向上海方向推进，力图合围形成铁桶阵，重炮加飞机准备全歼中国主力部队。
前后夹击，全军覆没，危在旦夕。11月8日，蒋被迫放弃上海，下令淞沪地区中国所有军队全线迅速撤退。
在撤退命令下达后，由于中国多数军队的无线电通讯设备匮乏，撤退命令依赖人工传递，多数部队未能及时接收到指令。日军通过空中侦察精准轰炸交通节点，加剧混乱。
