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，日军援兵陆续开到，中国方面因无制空和制海权，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。此前，9月6日，第三战区发布的第二期作战计划：上海战区以持久抗战为目地，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、蕰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，再次作出增兵的决定。将华北方面军所属第9、第13、第101师团转隶上海派遣军序列，此外，还从台湾调来了步兵旅团、重藤支队、第1后备步兵团以及伪靖安军第1旅、伪李春山旅和伪于芷山旅等部队，这样，加上原有的几个师团，日军到9月下旬在上海的兵力，光步兵就达到了当初松井石根要求的5个师团：第三师团：师团长藤田进，第11师团：师团长山室宗武，第九师团：师团长吉住良辅，第13师团：师团长荻洲立兵，第101师团：师团长伊东政喜。算上空军和海军的兵力，日军在沪总兵力达到20万人。
面对敌人调兵遣将，国民政府也决定迅速增派各省及中央军部队至淞沪参战。为打赢这场硬仗，蒋介石把当时的精兵良将几乎全部派到了淞沪前线。集团军中，除了原有的第8、第9、第15集团军外，又增加了薛岳的第19集团军、刘建绪的第10集团军，稍后，又调来廖磊的第21集团军。
9月21日，前线部队部署也做了调整，以应对作战需要：第15、第19集团军编为左翼兵团，陈诚为总司令，下辖3个军团、江防军总司令部及总预备队，共约16个师、2个要塞司令部、4个独立团、1个江苏保安队；作战地域为蕰藻浜以北的万桥、罗店、广福地区；第9集团军为中央兵团，朱绍良（取代因病调任大本营管理部任部长的张治中）为总司令，下辖7个军18个师、1个独立旅、1个炮兵旅、1个淞沪警备司令部和1个上海保安总队；作战地域为北站、江湾、庙行一线及其以西地区；第8、第10集团军为右翼兵团，张发奎为总司令，下辖10个师、3个独立旅、3个新编旅、1个中央军校教导总队和1个岸防部队；作战地域为苏州河以南至杭州湾北岸地区。加上不久后赶赴上海参战的第21集团军及川军刘湘部5个师，国民党军总兵力已达75个师、70余万人。
中国军队转入防御后，日军开始发动大规模进攻。9月22日，日军集中主力猛攻固守罗店的左翼军阵地，防守这里的第18军和叶肇第66军拼死抵御，阵地屹立不动。次日黎明至24日夜，日军复以两个师团持续冲锋，国军第159师、第160师以全体阵亡的代价坚守了12个小时。
为此日军也付出了惨重代价。第三战区司令长官部鉴于日军有以主力于宝浏公路两侧地区击破左翼军之势，为保存实力，持久消耗敌人，乃命令左翼军各部队逐次转入第二线阵地防守，相机打击日军。此时，松井石根见从侧翼突入包围中国军队的企图无法实现，于是决定改分割包围为中央突破，集中兵力进攻蕰藻浜一线。10月1日开始，日海军、航空兵协同地面部队发起新的攻击。
北路以山室宗武第11师团指向广福、陈家行；南路集中第3、第9、第13、第101师团强渡蕰藻浜，向大场、南翔进攻，以切断大场至江湾地区守军与外界联系，使之成为孤军。10月5日至9日，国军第8师、第59师、第61师、第67师、第77师、第90师及税警总团等作战部队因连日与敌浴血激战，终因牺牲重大，无力对峙，相继退出阵地。9日起，日军再度集中海空军火力，配合步兵向蕰藻浜南岸强攻，中国守军轮番上阵抵抗，经数昼夜血战，始得遏止日军攻势。
10月15日，日军突破蕰藻浜，战局再度告急。此时从广西调来的第21集团军抵达淞沪前线，蒋介石急将该集团军10个师编入中央军序列，领取作战军械和弹药。第21集团军属李宗仁、白崇禧桂系王牌部队，以能打能拼在地方军中享有威名。白崇禧这时向蒋介石献策，认为纯粹被动防守非长久之计，徒增伤亡更无法取胜，必须以一支主力突击部队主动出击，实行积极防御的策略，蒋介石由是下达了实施反击作战的命令。
10月19日，中国守卫蕰藻浜南岸的部队，配合廖磊第21集团军发动全线反击。当日，日军吉住良辅第9师团、伊东政喜第101师团及第3师团一部，亦向蕰藻浜南岸发起猛攻。双方主力迎头相撞。桂军初上战场，毫无与日军交锋经验，以血肉之