国军在罗店与日军展开了十多天的殊死拼杀，给日军造成了巨大损失，这大大出乎日本的预料之外。看来“三个月解决中国问题”已经无法实现了，日本国内议论纷纷，对征服中国的信心产生了动摇。处于国内舆论的压力，日军大本营不得不采取进一步的措施。10月1日，日本海军、航空兵协同地面部队发起新的攻击。北路以第11师指向广福、陈家行；南路集中第3、第9、第13、第101师强渡蕴藻浜，向大场、南翔进攻。
虽然日军攻势非常猛烈，但是遭到守军顽强的抗击。蕰藻浜是上海市北部的一条重要河流，它西起嘉定区安亭镇以东的吴淞江，向东经宝山区，于吴淞口处注入黄浦江，全长38公里。蕰藻浜是上海除了长江、黄浦江以外为数不多可以通航百吨级货船的河道之一。蕰藻浜横贯上海北部，也是上海市区北部的重要军事屏障。在1932年“一二八事变”与1937年的淞沪会战中，都是双方激战的重点地区之一。
1937年10月1日夜，国军淞沪防御阵线左翼军在日军猛烈攻击下，逐次向后转移，于10月3日拂晓前进入蕰藻浜南岸亘陈家行、杨泾河西岸、浏河镇一线阵地。日军第9、第15师团集中主力一部，于5日向蕰藻浜南岸地区猛攻。中国守军第32、第57、第78、第16师等和税警总团协力抵抗。至8日，日军突进至赵家角、余家宅附近。
10月9日，日军在海军和空军炮火的支援下，继续猛攻蕰藻浜南岸守军阵地，战至14日晚上，中国守军损失惨重，税警总团、第16师、第8师都被打残，基本上失去了战斗力，被撤到后方修整。由第19、第1、第134、第133师接替。
日军突过蕰藻浜南岸，攻占一部分地区，使国军侧背受到严重威胁，第3战区命令第21集团军增援。淞沪会战打响后，第五路军在广西奉命出师，成立第十一集团军，统辖第七、四十八、三十一3个军，以李品仙任总司令，廖磊任副总司令兼第七军军长。于9月间第七军先开抵徐州，担任东海防务，还没有交接完毕，正值淞沪战事紧张，奉命留第七军输送送沪参加淞沪战役。10月间，成立第二十一集团军，升廖磊为该集团军总司令，辖第七、四十八两军，隶属第三战区战斗序列。
第二十一集团军是临时组建的，辖第七、四十八两军。第七军辖一七〇、一七一、一七二师3个师，每师2旅，每旅2团，及军直属炮兵工兵特务3营。15日调整淞沪战役防御部署，右翼军辖第8、第10集团军，巩固沿江、海岸的守备，打破日军登陆的企图。中央军辖第9、第21集团军，先行巩固蕰藻浜南岸阵地，然后歼灭该地日军。左翼军辖第19、第15集团军，一部担任江岸防务，主力巩固原阵地，并协同中央军作战。
15日，日军突破蕴藻浜，蒋中正急调第21集团军10个师加入中央军序列，以其3个师从大场附近向南路日军反击，另以左翼军4个团在广福南侧向北路日军反击，但是都没有突破日军阵地。22日，日军集中第3、第13、第101师进攻第21集团军，在庙行和陈家行之间突破守军阵地。
中央军总司令朱绍良将蕰藻浜南岸部队归第21集团军总司令廖磊统一指挥，抵抗日军的攻击，战至10月18日晚，第20军第133、第134师损失惨重，调后方整补，阵地由第48军第173、第174师接替。第3战区于10月18日命令中央军，由蕰藻浜两侧攻击日军，以击破突入蕰藻浜南岸的日军。
10月21日黄昏时，第21集团军以第174、第176师为突击部队，在炮兵火力支援下向蕰藻浜南岸日军攻击，但无进展。22日清晨，该两师遭日军反击而受挫。接着日军全线攻击，战至25日，中国第21集团军所部全线后退，逐次转移到胡家宅、新泾桥一线阵地。因受第21集团军后撤的影响，第9集团军左翼部队也撤退至大场镇附近。由于蕰藻浜防御阵线被日军突破，反击作战又受挫，大场阵地于26日失守。中央军被迫放弃江湾、北站间阵地，向苏州河右岸转移。26日日军攻占庙行和大场，苏州河北岸的中央军腹背受敌，于27日放弃北站、江湾阵地，向苏州河南岸转移。第88师第524团团副谢晋元率第1营官兵继续坚守苏州河北岸的四行仓库，孤军奋战4昼夜，于31日奉命退入公共租界。
上海苏州河畔的四行仓库是金城、盐业、中南和大陆等四家银行的堆栈货仓，淞沪会战时国民革命军的88师的524团从1937年10月27日到30日坚守四行仓库4天，日军六度冲入防地均被击退，谢晋元团孤军苦守而名扬世界，当时隔着苏州河遥望仓库顶上飘扬着的国旗是租界内难民的一线希望。
四行仓库是上海金城、中南、大陆、盐业四家银行共同出资建设的信托仓库。它建于1931年，是一座外观普通的钢筋混凝土结构的六层大厦，建筑面积2万平方米，是当时闸北一带最高、最大的一座建筑物。淞沪会战时期，谢晋元所率国民革命军第88师262旅1营（对外号称524团）420多名官兵困守在这里4天4夜，与猖狂进攻的日军展开了殊死的拼杀。为迷惑日军，谢晋元对外号称有八百人，故史称“八百壮士”。
困守四行仓库的国民革命军420多名官兵都抱着必死的信念，从中校团附谢晋元到普通一兵，每人都给自己的家属写过一封遗嘱信。其中谢晋元在淞沪会战前夕给妻子凌维诚写的一封家书是这样写的：
“吾妻爱鉴：日内即将率部进入沪淞参战，特修寸笺以慰远念。我神州半壁河山，日遭蚕食，亡国灭种之祸，发之他人，操之在我，一不留心，子孙无噍类矣。为国杀敌，是革命军人素志也；而军人不宜有家室，我今既有之，且复门衰祚薄，亲者丁稀，我心非铁石，能无眷然乎？但职责所在，为国当不能顾家也。老亲之慰奉，儿女之教养，家务一切之措施，劳卿担负全责，庶免旅人之分心也……”
1937年10月27日早晨6时，日军从四面包围了四行仓库。由于四行仓库的东面和南面都是租界，100米外还有两个巨大的煤气罐，万一爆炸将遭到英国人的强烈反击，所以日本人不敢动用飞机轰炸，也不敢用重炮轰击，只能采用轻型炮火乱轰、机枪猛扫并四处纵火。
仓库内的中国守军用机枪和手榴弹向日军猛烈还击，第一天打退了日军的多次进攻，日军死亡80多人，而中国守军则无一阵亡！
第二天，日军再次发动疯狂进攻，中国守军继续勇猛还击。久攻不下的日军组织了一个十几人的小分队，顶着厚钢板悄悄地潜行至仓库底层，企图用炸药包在四行仓库的底层墙体上炸开一个突破口。由于这里是一个射击死角，中国守军无法对日军实施枪击。千钧一发之际，21岁的敢死队员陈树生在身上捆满了手榴弹和烈性炸药，拉开导火线，从5楼纵身跳下，跳进了欲实施爆破的日军之中。一声巨响，陈树生与十几个日军同归而尽，这一幕让在苏州河对岸观战的民众无比震撼！
28日深夜，一名14岁的童子军姑娘杨惠敏在漆黑的夜色中冒着生命危险给四行仓库的守军送来了一面国旗。29日清晨，青天白日满地红的旗帜在四行仓库楼顶缓缓升起，日军虽组织火力想把国旗打下来，但未能得逞。苏州河对岸租界里的中国百姓激动万分，纷纷脱帽致敬，高呼口号。当天的上海《申报》这样报道：
“朝曦初上，国旗飘展，隔河民众经此地，纷纷脱帽鞠躬，感动落泪。”
国军之所以组织四行仓库保卫战，就是希望以四行仓库守军的浴血牺牲来赢得国际社会的同情与支持。10月30日，英美等国要求以“人道主义原因”停止战斗，中方认为坚守四行仓库的目的已经达到，于是下令部队于10月31日撤离四行仓库。10月31日，英军驻上海总司令史摩莱少将亲自来到苏州河新垃圾桥边，指挥英军压制日军火力，掩护勇士们安全撤离。在短短4天的时间里，谢晋元率领中国军人击退日军数十次进攻，击毙日军两百多人，伤者无数；而国军一方仅阵亡9人，伤20余人。四行仓库保卫战可说是大获全胜。
11月5日，日军由集团军司令官柳川平助率另领第6、第18、第114师及国崎支队（第5师第9旅），突然在杭州湾的全公亭、金山卫地带登陆，策应上海派遣军实施迂回包围。当时杭州湾北岸的守军大部已调去支援上海市区作战，只有第63师的少数部队守备，猝不及防。日军占领沿海地段后，迅速以第6师进攻松江和闵行，以第18师进攻金山和广陈。第三战区急调第62、第79师分别阻击日军第6、第18师，但是都被击退。日军于11月6日占领金山。11月7日，上海派遣军和第10集团军奉命合编为华中方面军，由松井石根统一指挥，企图对上海守军迅速达成合围。战局急转直下，11月8日，蒋中正下令全线撤退。11月12日，上海失守，淞沪会战结束。
淞沪战场国军阵亡校尉级以上军官近千名，其中少将以上军官10余人(不包括牺牲以后追晋者)。其中88师264旅旅长黄梅兴是在战斗中牺牲的第一位将军；67军军长吴克仁为掩护大部队撤退而牺牲；78军18师师长朱耀华在全师大部分人战死，丧失阵地的情况下举枪自杀，被下属劝阻。
淞沪会战历时3个月，中国军队虽多，但分散在各自防区死打硬拼，日军装备优良，取正面强攻，屡遭挫败，改从侧后登陆，迂回成功。日军参战兵力达9个师22万余人，伤亡9万多人；中国军队参战兵力共6个集团军约70个师计70余万人，伤亡25万余人。淞沪守军浴血奋战，使日军被迫转移战略主攻方向，打破其3个月灭亡中国的迷梦，为中国沿海工业的内迁赢得了时间，激发了中国军民的抗战热忱。
