在此期间，华夏军队亦与倭寇航空队展开激战，并积极攻击进犯的倭寇陆军和舰艇，击落日机47架，炸沉倭寇巡洋舰1艘，倭寇空军队员阎海文、沈崇诲等壮烈牺牲。
8月18日至20日，倭寇第三、第十一师团先后由倭寇出发，至22日到达上沪以东120公里的海域，换乘小舰艇准备登陆。第三战区鉴于敌登陆威胁增大，遂以第九集团军专负上沪市区之作战，以新编成的第十五集团军（总司令陈诚）负责吴淞镇以下沿江防线的作战。
8月23日晨，倭寇上沪派遣军第三、第十一师团在优势火力掩护下，于川沙河口、狮子林、吴淞一带强行登陆。24日，华夏第十五集团军先后进至上沪，向登陆之敌发起反击。
8月31日拂晓后，倭寇以飞机30余架，并以海军舰炮猛击吴淞，强行登陆；倭寇军另一部由市轮渡码头登陆。华夏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，仍由华夏保安总团固守。张治中将在刘行的第六师调到杨行、吴淞，驱逐登陆之敌。该师于31日夜，向吴淞攻击前进，与敌遭遇于杨行以北地区，发生激战。
9月1日，倭寇1000余人围攻狮子林炮台，守军第九十八师一部与敌反复白刃搏斗，多数牺牲。
9月2日起，倭寇进攻三官堂，并强渡泗塘河，被击退。3日至4日，倭寇连续向三官堂一带进犯。第六师十八旅奋勇阻击，歼敌不少，但该旅伤亡甚众，旅长翁国华和团长朱福星负伤。5日晨，敌分由吴淞、张华浜和沙龙口夹击宝山至三官堂阵地。第六师腹背受敌，各村落都被烧夷，火药局守兵全部牺牲，第十七旅旅长丁友松以下伤亡过半，相持至午，该师退守泗塘河。倭寇越过泗塘河桥向西侵犯，于是，狮子林、吴淞间联系通道被敌打通，而宝山城华夏守军由此陷入重围。
9月5日，倭寇集中30余艘军舰，掩护陆军向宝山发起猛攻，华夏军队顽强抵抗，守卫宝山的第十八军第五八三团第三营500名官兵，在营长姚子青率领下，浴血奋战，击退倭寇数次冲击，奋战2昼夜，多数壮烈牺牲。
9月上旬，由于倭寇不断增兵，战争逐步升级，华夏军队也陆续增援，不断调整部署。9月11日以后，蒋介石撤换了冯玉祥，自兼第三战区司令长官，顾祝同任副司令长官。以陈诚的第十五集团军为左翼作战军，以张治中的第九集团军为中央作战军，以张发奎的第八集团军为右翼作战军。9月21日，再次调整部署，朱绍良任中央作战军总司令兼第九集团军总司令；陈诚任左翼作战军总司令，下辖第十九集团军（总司令薛岳）和第十五集团军（总司令罗卓英）；张发奎任右翼作战军总司令，下辖第八集团军（总司令张发奎兼）和第十集团军（总司令刘建绪）。
9月下旬至10月初，倭寇第一○一、第九、第十三师团等增援部队陆续在上沪登陆，加入上沪派遣军之作战。至此，倭寇总兵力达20万人。尽管倭寇在武器装备上占有很大优势，但至11月初仍未能获得决定性胜利，却付出了重大代价。倭寇统帅部急于在上沪方面取得预期战果，决心采取新的措施。
11月5日拂晓，倭寇新组建的第十军利用大雾、大潮在杭州湾的全公亭、金山咀登陆，对淞沪实施迂回包围。华夏右翼军部分沿海守备部队已抽调支援市区作战，猝不及防，阵地相继失守，战局急转直下。
倭寇第十军于11月6日占领金山，力图与上沪派遣军达成合围。
蒋介石被迫于11月8日下令全线撤退，倭寇于11月9日占淞江、11月12日占上沪。华夏军队全部撤离淞沪地区。
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