至2月2日，日军从国内增调航空母舰2艘、各型军舰12艘、陆战队7000人援沪。

蒋光鼐急调第60、第61师参战。

3日，日军破坏停火协议再向闸北进攻，被守军击退。

日本内阁遂增派第3舰队和陆军久留米混成旅援沪，由第3舰队司令野村吉三郎接替盐泽指挥。

7日，野村改变攻击点，以久留米旅进攻吴淞，陆战队进攻江湾，企图从守军右翼突破。

第19路军依托吴淞要塞及蕴藻浜水网地带与日军激战，第61师将进攻纪家桥、曹家桥及偷渡蕴藻浜的日军各个消灭，其余日军又龟缩租界，由英、美等国领事再次出面“调停”

，以待援兵。

浴血奋战 上海战况于日军不利，日本内阁于2月14日又调陆军第9师参战,改由第9师师长植田谦吉统一指挥。

同日，中国政府派请缨抗日的张治中任第5军军长，率所部第87、第88师及中央陆军军官学校教导总队增援上海，归第19路军统一指挥，接替从江湾北端经庙行至吴淞西端的防线，为左翼军。

第19路军为右翼军，担负江湾、大场以南及上海市区的防御。

18日，植田发出最后通牒，要挟中国守军于20日17时前撤退20公里，被蔡廷锴严词拒绝。

20日植田令日军全线总攻，采取中央突破，两翼卷击的战法，以第9师主突江湾、庙行结合部,企图北与久留米旅围攻吴淞，南与陆战队合围闸北。

守军第19路军与第5军并肩作战，密切配合，利用长江三角洲水网地带及既设工事顽强抗击，并组织战斗力强的部队夹击突入江湾、庙行结合部之敌。

经过6昼夜争夺战，日军遭受重创，由全线进攻转为重点进攻，再由重点进攻被迫中止进攻。

淞沪抗战激励全国，后方官兵纷纷请缨抗战，蒋介石拒绝再向上海增兵。

而日本内阁决定组建上海派遣军，派前陆军大臣白川义则任司令官统一指挥。

2月27日起,上海日军又得到陆军第11、第14师的增援,总兵力增至9万人、军舰80艘、飞机300架，战斗力骤增。

当时中国守军总兵力不足5万，装备又差，而且经一月苦战，伤亡比较严重，左侧浏河地区江防薄弱。

白川汲取前三任指挥官正面进攻失利的教训，决定从翼侧浏河登陆，两面夹击淞沪守军。

3月1日，指挥第9师等部正面进攻淞、沪，以第3舰队护送第11师驶入长江口，从浏河口、杨林口、七丫口突然登陆，疾速包抄守军后路。

淞沪守军腹背受敌，被迫退守嘉定、太仓一线。

2日日军攻占上海，3日战事结束。

中国军队在人民支援下浴血奋战，连续击败日军进攻，使敌三易主将，数次增兵，死伤逾万，受到沉重打击。

但政府当局妥协退让，不继派援兵，守军寡不敌众，防线终被日军从翼侧突破而被迫撤退。

后在英、美、法、意等国调停下，中日双方经谈判，5月5日中国政府与日本签订丧权辱国的《淞沪停战协定》。

不久，gmd政府将英勇抗战的第19路军调往福建剿共。

1月24日，日本海军陆战队向上海增兵。

当时负责防卫上海的中国军队是粤军的十九路军，由蒋光鼐及蔡廷锴指挥，京沪卫戍司令为陈铭枢。

陈铭枢及十九路军主张应付日军挑衅，但国民政府会议后则主张忍让，并于1月23日由军政部长何应钦下令十九路军五日内从上海换防。

1月28日23时30分，日军海军陆战队2300人在坦克掩护下，沿北四川路（公共租界北区的越界筑路，已多次划为日军防区）西侧的每一条支路：靶子路、虬江路、横浜路等等，向西占领淞沪铁路防线，在天通庵车站遇到中国驻军十九路军的坚决抵抗，一二八事变爆发。

1月29日凌晨，日机从停泊在黄浦江上的“能登吕”

号航空母舰上起飞轰炸闸北华界，宝山路584号商务印书馆及东方图书馆（中国最大的私人图书馆，藏书超过三十万册）均被炸毁。

闸北多处燃烧。

但日本陆战队夺占北站的企图以失败告终。

1月31日，日本援军抵达上海，有巡洋舰4艘、驱逐舰4艘、航空母舰2艘及海军陆战队7000余人。

2月1日，日本军舰从长江上炮轰首都南京。

国民政府宣布迁往洛阳，表示决不屈服（年底才迁回南京）。

2月初，1万多日军多次进攻吴淞，均被击退。

2月13日，日军劲旅久留米混成旅团千余人，在蕴藻浜曹家桥偷渡成功后，在永安纱厂门前被中国重兵包围，又有60名敢死队员实施自杀攻击，1600日军全军覆没。

日军遭受重创，一举占领吴淞的企图遂破产。

之后战事扩大，日军四易主帅，指挥官由海军少将改由海军中将任，最后以陆军大将，前陆军大臣白川义则担任；数度增兵后日方最后投入兵力超过三个师团七万人；并兼以海空军、战车助战。

停战 中国方面，蒋介石于事变发生后复出主理军事，以中央军第八十七、八十八师及税警团、教导团为第五军，由张治中指挥，于2月16日加入上海作战；之后蒋再调正在江西围剿共军的第十八军陈诚部入浙。

中国军队在国民支持下，在江湾一带抵抗日军进攻至3月2日，由于日军在太仓浏河登陆，形成腹背受敌的局面，于是全面从前线后撤。

3月3日，日军占领真如、南翔后宣布停战。

5月5日，中日在英、美、法、意各国调停之下签署《淞沪停战协定》。

日军返回战前防区（上海公共租界北区、东区及其越界筑路地带），中国军队暂留现驻地（沪宁铁路上的安亭镇至长江边的浒浦一线），交战区划为非武装地区。

在两国正式签署停战协定前，日人在4月29日于虹口公园举行阅兵，庆祝日本天皇长寿的天长节及日军胜利。

韩国人反日志士尹奉吉混入人群中，向主宾席投掷炸弹，结果白川义则被炸死，日本驻华公使重光葵被炸断一腿，植田谦吉中将师团长被炸瞎一目。

尹奉吉后来被捕，在日本被处死。