上海兩方面發動攻擊，務必給予重大打擊，造成使敵人屈服的形勢”，“以上海派遣軍（以5個師為基幹）擊敗上海周圍之敵。”日軍決心將侵華戰爭的主要作戰方向由華北轉移到上海。

由於日軍不斷增兵，戰爭逐步升級，中國軍隊也陸續增援，不斷調整部署。9月11日以後，蔣介石自兼第3戰區司令長官，顧祝同任副司令長官。

以陳誠的第15集團軍力左翼作戰軍，以張治中的第9集團軍為中央作戰軍，以張發奎的第8集團軍為右翼作戰軍。9月21日，再次調整部署，朱紹良任中央作戰軍總司令兼第9集團軍總司令；陳誠任左翼作戰軍總司令，下轄第19集團軍（薛嶽為總司令）和第15集團軍（羅卓英為總司令）；張發奎任右翼作戰軍總司令，下轄第8集團軍（張發奎兼總司令〕和第10集團軍（劉建緒為總司令）。

9月下旬至10月初，日軍第101、第9、第13師等增援部隊陸續在上海登陸，加入上海派遣軍之作戰。日軍總兵力達20萬人。9月30日拂曉，日軍向中國軍隊發起猛攻，突破萬橋、嚴橋、陸橋等處陣地。劉行方面的中國守備部隊陷於苦戰，傷亡較重。為了避免日軍繼續突破，10月1日晚，第3戰區司令長官部令左翼作戰軍各兵團，向蘊藻浜右岸陳行、施相公廟、瀏河之線陣地轉移，至3日拂曉前，完成新陣地的佔領。10月5至8日，日軍第3、第9師在第11師和13師一部的掩護下，向蘊藻浜地區實施猛攻。中國軍隊經數日激戰，予敵以重大殺傷。

11日後，日軍繼續猛攻，企圖進佔大場，向南翔發展，截斷京滬鐵路。

中日雙方軍隊在蘊藻浜南岸陣地進行了激烈的爭奪。

10月15日，中國軍隊第3戰區重新調整部署，將蘊藻浜南岸地區劃歸中央作戰軍，令廖磊的第21集團軍歸中央作戰軍指揮，加入大場方向作戰。

中國守衛蘊藻浜南岸之部隊，在第21集團軍統一指揮下，19日發起反擊，適逢日軍主力亦發動步、坦、炮聯合進攻，雙方展開大規模激戰。中國軍隊由於裝備落後，加之連日戰鬥，傷亡過大，攻擊陷於停頓，26日