18军（罗卓英部）第11、第14、第68三个师也抵达京沪地区，划归第9集团军指挥。张治中在得悉日寇增援消息后，决定暂取守势，并调动部队反击日寇登陆。此后数日，双方互有攻守，战事胶着。
9月2日，日寇将驻青岛部队抽调至上海方向，随即加强进攻。9月6日，宝山县城失守，中国守军第98师94旅583团1营全体官兵壮烈殉国。
9月11日，日本参谋本部下达命令，派遣第9、第13、第101师团，及炮兵第5旅团等部队增援上海。
此时中国统帅部也判断日寇“最近若不得逞，势必由国内不断增兵，在沿江沿海继续扩大作战区域。而中国军队在海军、空军方面处于劣势，且攻击武器远不如日寇。部队白天行动困难，后勤供给也十分困难，许多士兵在一线苦战，终日难得一餐，弹药也时常不足，影响战斗力，并造成部队伤亡过大”。因此决定逐渐转为守势。此后至11月4日，中国军队基本上处于守势作战地位。
9月14日，日寇第11师团向罗店中国守军发起攻击，并计划与随后到达的第3、第101师团于吴淞方向汇合。此时中国军队第15集团军（陈诚部）也得到第1军的加强，双方继续陷入鏖战。至9月21日，日寇第11师团在罗店未能前进一步。
9月21日，中国统帅部对第3战区的部队进行调整，左翼军由第19集团军（薛岳部）、第15集团军（罗卓英部）组成，总司令陈诚；右翼军由第8集团军（张发奎部）、第10集团军（刘建绪部）组成，总司令张发奎；第9集团军改为中路军，朱绍良任总司令兼第9集团军司令。战区司令由蒋介石兼任，顾祝同任副总司令。
日寇方面，全国17个师团中，8个师团派往华北，5个师团派往上海，1个师团留守国内，3个师团作为预备，准备对华作战。
9月22日，日寇101师团向左翼军发起进攻。战至30日，日寇第11师团向前推进3公里。
10月1日，日本内阁制定《处置中国事变纲要》，计划“通过10月间的强大攻势作战，可以迫使中国政府屈膝求和”。10月9日，日本参谋本部将第18师团（国内）、第6师团（正在华北作战）、第114师团（国内），以及第5师团一部组建第10军，调往上海方向。17日，第16师团（正在华北作战）也调往上海。
10月1日，日寇第13、第9、第101师团抵达上海，上海派遣军司令松井石根调集第3和第9师团加强上海西南方向的进攻。至8日，第9师团突破蕴藻浜北岸阵地。鉴于战场形势危急，如日寇继续突破国军阵地，则左翼防线将陷入崩溃的境地。10月19日，以新到第21集团军（廖磊部）配合左翼军作战，于大场镇以北转入反攻。但中国军队的进展极为不顺，战至22日，日寇开始反击，中国军队先后撤退。26日，大场镇失陷。
大场镇失守，使中路军侧背受到严重威胁，第3战区令第9集团军后撤至苏州河南岸，左翼军则仍然坚守原阵地。至28日，除88师一个营（由团长谢晋元、营长杨瑞符率领）留守四行仓库外，中国守军全部后撤。
中国军队撤至苏州河南岸后，战事更为激烈。军事委员会副参谋总长白崇禧等人建议“淞沪会战应适可而止”，蒋介石表示同意将部队撤至吴福一线，但蒋得知“九国公约”各国将于11月3日在布鲁塞尔召开会议后，便撤回先前命令，并要求各部坚守原阵地。11月4日，日寇第3师团从北新泾镇方向渡过苏州河。
同日，日寇第10军进入杭州湾。5日，第18师团从金山卫以东、第6师团从金山卫以西同时登陆。此时，蒋介石以电话征求前线总指挥陈诚的意见，陈诚认为应立即撤退，但蒋介石要求再抵抗3天。11月7日，日寇组建“华中方面军”，统一指挥上海的2个军（上海派遣军、第10军）的作战。由松井石根任总司令。
11月8日，日寇第8军在德胜港、米市渡渡过黄浦江。当晚，中国统帅部发现中国军队已处于即将被包围的危险境地。蒋介石才匆忙下令从上海撤退。由于撤退时机过晚，且命令下达手段极其落后，右翼军接到命令已是11月9日。此时部队已经陷入混乱，各级司令部对部队已经很难掌握，有些部队并没有接到撤退命令，见友邻部队撤退便自行组织撤退。由于缺乏指挥调度，几十万部队同时涌向安亭方向。拥挤在有限的一两条公路上，加之日寇飞机轰炸和后面追击，后撤部队损失极其惨重。
左翼军撤退并没有出现混乱，11月8日接到撤退命令后，薛岳命各部队依照命令逐次后撤。
11月12日，上海沦陷，淞沪会战结束。
淞沪会战中方英烈谱：
黄梅兴少将：1896年生，字敬中，广东平远人，黄埔一期毕业，时任88师264旅旅长。1937年8月14日，亲临前线指挥，不幸被日寇迫击炮集中，壮烈殉国，时年41岁，后追授陆军中将。
蔡炳炎少将：1