日軍在上海有2個師團加上海軍陸戰隊1萬多人約10萬兵力，雖然佔領了寶山羅店但傷亡慘重。第11師團傷亡高達1萬多人，1個聯隊長被擊斃。第3師團傷亡更多些，聯隊長倉永辰治大佐被擊斃，聯隊長鷹森孝大佐受重傷。兩個師團已失去了進攻能力，日軍軍部只得將國內的主力部隊3個半師團，第9、第13、第101師團以及臺灣旅團緊急調上海。
第9師團建立於甲午戰爭之後，日軍最精銳17個甲種師團之一。兵員全部來自日本北陸的富山縣、石川縣、福井縣民風彪悍，絕對是日軍師團中的前3強，該師團裝備非常精良兵員素質很好，當時該師團的師團長為吉住良輔中將。臺灣旅團雖作為增援部隊中唯一常設部隊，戰鬥力卻根本無法跟第9師團相比，只能作為地方衛戍部隊不能野戰。由步兵5個大隊、山炮兵1個中隊編成，約4300人，雖然武器裝備還不錯戰鬥力差。不過臺灣旅團部隊都是日本人。
第13師團本來也是常設甲種師團之一戰功卓著。由於一戰後日本經濟衰退被裁撤，但是軍部暗中還是保留骨幹到其他師團中。“七七事變”爆發以後重建，第13師團戰鬥力較強裝備精良，但大部分官兵沒有戰鬥經驗，所以戰鬥力比常設甲種師團差一截。第101師團跟第13師團類似，官兵多是由1師團的預備役官兵新組建的。101師團裝備和甲種第1師團基本一樣，但兵員素質無法相比戰鬥力更差一籌。當時的師團長為伊東政喜中將。
日軍在華北有30萬大軍，但要兼顧華北5省的進攻兵力不足。東北和朝鮮最少也要放幾個師團防蘇聯，此次已經算是用盡全力了。這3個師團又1個旅團戰鬥力稍弱。日本軍部為他們配屬了極為強大的附屬部隊，其中光是炮兵聯隊就有近十個。第一批增援來的第3和第11師團傷亡慘重，此次進攻中都退居二線。第二階段是蘊藻濱附近蘇州河以北的作戰，日軍打頭陣的為新增援的這3個師團又1個旅團共10多萬人，配屬數量驚人的重武器。
當時松井認為手上已經有20多萬大軍，戰鬥力遠超國軍部隊，下令採用中央突破進攻。松井石的命令是以主力第101師團、第9師團、第3師團的順序依次跟進，由劉行、顧村攻佔蘊藻濱以南的大場、桃浦和南翔以東地區控制京滬鐵路，渡過蘇州河從北面、西面、南面迂回上海市，完全切斷國軍的撤退路線和補給線。
進攻是先掃清蘊藻濱以北的國軍陣地，然後強渡蘊藻濱強渡蘇州河，完全佔領蘇州河以南地區。戰役中心為大場然後強渡蘇州河，佔領蘇州河以南一線。大場是上海的戰略要地，蘇州河以北防禦陣地的核心。如果被日軍攻佔附近的京滬鐵路就被日軍切斷，國軍援軍很難上來一線部隊後撤困難，淞滬一戰就打不下去了。如果日軍進而佔領蘇州河南岸國軍將被包圍。
重藤旅團長的臺灣旅團接替羅店的第11師團，儘量掃清蘊藻濱以北的國軍陣地。在松井看來臺灣旅團剛到戰場實力未損，面對堅守此處一個月的疲憊國軍應該問題不大。萬沒想到該旅團打了不到1周就撐不住，誰讓對手是薛岳指揮的部隊太能打，第4軍吳奇偉部和葉肇部粵軍以優勢兵力猛攻。旅團幾天下來傷亡近半失去進攻能力，只得退出進攻序列在後方渡口的防禦。
國軍增兵湖南籍將領劉建緒的第10集團軍，配合薛嶽的第19集團軍。其中新到部隊包括中央軍僅剩的主力部隊，包括稅警總團改編的第8軍，吳奇偉的第4軍，中央教導總隊也整個調了上來。當時中央軍6成在上海，而湯恩伯13軍，衛立煌14集團軍等3成中央軍在華北激戰，其他少量中央軍部隊駐紮在南京，或者全國戰略要地和交通樞紐。老蔣打日本豁出老本來毫無保留。
其他地方軍閥部隊也都調到上海，包括西北軍，湘軍，桂軍，粵軍，黔軍，老北洋軍，還有後面趕到的川軍，東北軍等等。在蘇浙皖一帶向上海靠攏的國軍部隊約有50萬人是日軍的一倍。日軍增調數量翻倍的陸軍重武器加入戰場，海空軍數量也劇增，火力更比之前猛烈數倍。國軍經過一個月的消耗，反而還不如剛開戰的時候，而且國軍的傷亡也更為慘重。
當時日軍利用坦克配合步兵猛攻，國軍只有少量的平射炮，在之前戰鬥中大多被日軍摧毀擋不住坦克。桂軍湘軍等地方軍閥部隊沒打過坦克，只能一個排的步兵沖上去，手榴彈炸履帶往觀察口開槍。這種打法傷亡很大效果不佳，最終只能靠敢死隊背炸藥包和集束手榴彈上去同歸於盡，這樣反而能夠少死些人。
從吳淞口到蘊藻濱一線日軍集結20萬重兵，重炮飛機坦克裝甲車都屬數以百計，還有幾十艘軍艦和4艘航空母艦的支持。國軍靠步槍手榴彈迫擊炮，抱著股誓死不做亡國奴的精神，用人命和意志死撐到底。一個團一個團前赴後繼往死裡拼，真正的一寸山河一寸血，進攻的日軍都遭受相當的傷亡進展極緩慢。
戰鬥力最強的第9師團來說，從9月27日登陸後由吳淞向西進攻，至10月18日才攻佔蘊藻浜沿岸的陳家行，19天的時間內付出慘重傷亡，卻僅前進了約15公里。從7日強渡蘊藻濱直到17日，整10天時間每天前進幾百米。10月8日松井石根見狀只得命令第101師團接手全力攻大場。
第101師團出發的吳淞距大場只有12公里。國軍防禦頑強第101師團血戰10天才前進5公里多。該師新兵較多戰鬥經驗不足傷亡更為慘重。短短10天101師團傷亡了1萬多人。以師團主力101聯隊來說，下轄的三個大隊長第2大隊長卯野穣二郎少佐被擊斃，第1大隊長高見順三郎少佐和第3大隊長川崎秀一少佐負傷。由於傷亡太重被迫停止進攻。松井把剩下的第13師團調上來也沒進展，而且一線部隊傷亡實在太大打不動了。
雙方部隊在地面的戰鬥非常激烈，日本空軍也拼命支援第9，第13，第101師團，出動飛機1663架次投彈5267枚，投彈總噸數高達400噸。日軍陸軍和軍艦上的重炮不分晝夜發射，國軍只能用簡易野戰工事死守。一個師頂上去幾天打殘後退下來，軍閥部隊中差一些的上去最多1天就全軍覆沒。中央軍戰鬥最強胡宗南第1軍第8師為例，能夠在蘊藻濱堅持21天之久。任憑日軍火力再強橫怎麼沖就是進不去。日軍集中主力部隊反復衝鋒，最後居然彈藥都打光炮彈沒了，又能被迫以坑道作業方法掘進，戰後被日軍引以為奇恥大辱。第8師激戰數日退下來的時候，8千人僅剩官兵7百。國軍最精銳的稅警總團配合第8師傷亡更慘重。
稅警總團剛到戰場就用兩個主力團反擊，一舉奪回日軍佔領的3個陣地。由於死守的陣地為日軍在蘊藻濱突破的主要方向，他們遭受日軍第9師團和第3師團的三面圍攻。稅警總團官兵死守陣地，跟日軍逐房爭奪反正命不命的不要了。稅警總團參戰前兵力高達1萬5000多人。部隊經費來自於財政部的鹽稅剩餘款經費最充足。淞滬一戰拼光但在蘊藻濱，大場，蘇州河陣地堅守了66天。孫立人被一顆150毫米榴彈炮，在頭上爆炸傷十三處僥倖未死。
日軍第二批增援部隊戰鬥力稍差，國軍補充上來的部隊特別是地方部隊戰鬥力更差。陳誠認為戰鬥如此激烈殘酷，一線部隊撤下由新到部隊頂上去肯定守不住。很多地方部隊戰鬥力差裝備更不行，如川軍和地方保安部隊機槍都沒幾挺，這樣的部隊上一線面對日軍地空兇猛火力，還有步兵的猛烈衝鋒半天不到就垮了。只能把增援部隊中最精銳能打的部隊挑出來，先適應一下戰場再以團營的形式補充到前線。上去前先讓軍官在火線觀戰學習一周，士兵都是1個老兵帶1個新兵，這樣對戰鬥力提升有很大幫助。
日軍進展太緩慢日軍軍部對松井石根極為不滿，派西村敏雄少佐去一線視察，看看松井老頭子是不是年紀大到不能打仗了？西村是關東軍擔任情報科科長出身打過仗有實戰經驗，軍部讓他來就是給松井石壓力教訓一通。剛到上海帶到前線就驚呆了，這完全是賭氣式拼命仗絞肉機式的激戰，西村回日本給軍部的報告中寫道：敵人的抵抗實在頑強，無論是遭炮擊或被包圍絕不後退。中國居民對日軍有著極其強烈的仇恨心，給予敵人官兵很大的支持。由於軍艦已運送緊急動員的部隊，致派遣軍後方供應接濟不上，兩個師團陷於嚴重的苦戰之中。日本陸相杉山元看完也說不出話來。
