22日晚上，日军陆军在马鞍群岛乘换为轻巡洋舰、驱逐舰后，分别向川沙镇、吴淞口一带驶入。
三师团吴淞口登陆：
日军于16日退守江湾以日本海军陆战队司令部为中心的据点，中日双方在上海一地不断投入军队。
此役国民党方面先后投入8个集团军又48个师、15个独立旅、9个暂编旅、中央军校教导总队、炮兵7团、财政部税警总团、宪兵1个团、上海市保安总团、上海市警察总队、江苏省保安团4个团，3队海军舰队，兵力总数在60万人以上。
日军投入5个师团1个旅团达13万人，鏖战两个月后，日军依靠强大的火力突破中国军队防线。
失利：
10月20日，日军秘密组建第10军准备对中国军队实行大包围，11月5日日军第10军8万人在金山卫登陆，蒋介石因幻想九国公约签字国的干涉，拖延了撤退时机，但此时西方国家绥靖之风盛行，称中国军队主动在上海非军事区挑起战争为破坏和平，对中国的要求置之不理。
中国军队围攻日本陆战队：
几天后，日军包围网即将形成，前线中国军队大乱，部分部队为避免被围已经自行组织撤退。
蒋介石仍死抱着对国联不切实际的幻想，迟迟不肯下令后撤，耽误了宝贵的时间。
最终撤退时，因没有讲明各部队撤退顺序，三四十万中国将士挤在几条公路上，被日军空军轰炸，大撤退变成了大溃逃。
*数十万将士在撤往南京时分散，为南京保卫战的失利埋下伏笔。12万守军各自为战，无法统一作战，数天上海就告陷。
此次为中国军队第一次军种（空军、海军、陆军）和诸兵种（步兵、炮兵、坦克）大规模协同作战，协同效果很差：步兵逼坦克冲锋又不予以掩护，结果坦克被日军全部击毁。
步兵失去坦克掩护后攻坚伤亡惨重，甚至出现一个营部队挤在一条街内被日军堵住街口全部击毙的悲剧。
陈诚回顾上海围攻未胜的教训，认为“以5师之众，对数千敌陆战队实行攻击，竟未能奏效，实在是当时部署种种不当的缘故”。
史说回忆，“步兵与炮兵、战车协同作战的训练从来没做过”。
中日相持受挫：
8月下旬，中国各部队继续围攻盘踞在海军陆战队司令部、杨树浦等据点的日军，新抵达战场的中国军队精锐之师第36师迅速投入战斗，在战车掩护下攻入汇山码头，同时空军再次出动配合，轰炸地面及江上日军目标。
我军终因装备低劣、火力不够威猛，面对钢筋混凝土筑造的工事而一筹莫展。
上海守军在闸北堡垒内同日军巷战
8月20日凌晨1时，国民革命军第51师接到军委会发出的入沪参战电令，
于4小时内集结所部于宝鸡火车站开往淞沪，参加上海作战。
8月20日晨至8月22日，宋希濂第36师、王敬久第87师、孙元良第88师和夏楚中第98师的进攻均受阻，伤亡严重。
战局陷入僵持，日军龟缩据点负隅顽抗待援。
8月23日拂晓，日军松井石根率领的2个师团援军先头部队在海空火力掩护下，在狮子林、川沙口、张华浜等方面登陆。
蒋介石闻讯，急令军政部次长陈诚为第15集团军总司令，指挥第98师、第11师及刚到嘉定的第67师、第14师火速分赴各处抗击敌人登陆。
蒋介石对第三战区进行了人事调整，冯玉祥到新成立的第六战区去当司令长官，第三战区司令长官的职务由蒋介石本人兼任。
鏖战：
中日都增兵后，双方鏖战更趋激烈。
中国军队在闸北与日军激战：
8月23日起，敌第3、第11师团在舰炮密集火力掩护下，向吴淞口铁路码头、狮子林、川沙口登陆，进攻宝山、月浦、罗店、蕰藻浜中方阵地。
张治中派王敬久为淞沪前敌指挥官，指挥第9集团军所辖部队抗击登陆日军。
与此同时，刚组建的第15集团军在罗卓英指挥下，向宝山、川沙口登陆之敌发起反击，第98师于8月24日击退攻占狮子林的日军，歼敌数千人。
第11师冒着飞机猛烈轰炸，收复罗店；日军不甘失败，调集坦克、飞机和重炮大举反扑，围绕罗店双方展开拉锯战，守军阵地几经易手。
血战至29日，罗店再告陷入敌手，刚刚从德国回国奔赴前线的黄维率第67师奋力突入，旋即又被击退。
重组：
8月31日拂晓，日军以飞机30余架，并以海军舰炮猛击吴淞，强行登陆；日军另一部由市轮渡码头登陆。
中国守吴淞的第六十一师的一个团，伤亡过半，不支后退；惟吴淞炮台，仍由上海保安总团固守。