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16日，他到上海，第5軍隨即接替了19路軍由江灣北端經廟行鎮、蘊藻浜至吳淞西端一線之防務，並以一部兵力擔任沿江警戒。
18日，張治中奉命擔任左翼軍指揮官，蔡廷鍇任右翼軍指揮官。
部署大體就緒後，他向蔣介石發了一電，表示&ldo;此次奉命抗戰，即下了最大決心，誓以死報國，並與19路軍團結一致……和衷共濟&rdo;。
同時又發布了《告全軍將士書》，指出：&ldo;打倒日本帝國主義，是我們全國一致的呼聲，一致的要求，一致的決心。
現在，行動已代替了口號，實力已代替了空言。
我們的存亡，將訴之於極猛烈的戰鬥……治中個人誓與我軍將士共患難，同生死，深望我全軍將士，人抱必死之心，以救國家，以救民族 。
假如日軍有一兵一卒留我國內，我們的責任即未完成；反之，我們如尚有一兵一卒，必與敵人拚命到底……同志們沖向前去，最後的勝利 ，終屬我們最後的努力者!
&rdo;
經過多次戰鬥動員，全軍將士群情振奮，鬥志昂揚，與敵展開了猛烈的戰鬥，打退了敵人的多次進攻。
日軍企圖從幾方面包抄我吳淞守軍的計劃完全被粉碎。
2月中旬，野村指揮官因作戰不利被撤換，改由第9師團長植田謙吉接任。
此時，日陸軍已達3萬人，野炮增至六七十門，飛機60餘架，戰艦增至數十艘，海軍陸戰隊已調往次要戰線。
2月18日，植田向蔡軍長提出一個&ldo;哀的美敦書&rdo;，要求上海駐軍必須於2月20日7時將第一線部隊撤完，拆除炮臺及其他一切軍事設施。
並威脅說：&ldo;如以上各項不能實行時，日軍將採取自由行動。
其結果所產生之一切責任，由貴軍負之。&rdo;
蔡軍長接到&ldo;哀的美敦書&rdo;後，非常憤慨，即與蔣光鼐總指揮等高階將領商議，下令前線部隊集中炮火向日軍陣地猛轟，作為對植田的回 答。
2月20日晨，敵人發動了第二次總攻，一路進擊張華濱一帶，一路由楊家浦進犯，攻勢甚猛。
江灣、廟行位於閘北與吳淞之間，由於位置重要，是敵進攻的重點，從早到晚戰鬥沒有停歇。
經過一天的血戰，入夜敵繼續進攻，竟夜炮聲不絕。
21日，植田總司令親自指揮進攻，我陣地工事被毀很多。
我軍官兵總結了經驗教訓，敵炮轟時，隱蔽在戰壕內，沉著不動，待敵步兵接近，就用手榴彈、步槍迎頭痛擊，衝鋒肉搏，迫敵後退。
22日，敵又傾巢來犯。
我廟行鎮以南88師527團第3營大、小麥家宅陣地工事全部被炸毀，營長陳振新陣亡，陣地被敵突破一段，形勢十分危急。
這時，張治中軍長親率教導總隊到88師指揮、策應。
他令87師259旅孫元良旅長率部向廟行增援；令守蘊藻浜北岸的宋希濂旅長率其主力由紀家橋渡河抄襲敵側背；令俞濟時師長率部對被敵突 破地區實施反攻。
我61師張炎副師長率2個團由竹園墩出擊。
在我三面夾擊下，敵倉皇潰逃。
廟行戰鬥是開戰以來最激烈的一次戰鬥。
敵第9師團及留米混成旅團的精銳橫屍遍野，達三四千具之多。
我軍亦傷亡一千多官兵。
3天後，蔣介石在給張治中將軍的電報中稱：&ldo;自經22日廟行鎮一役，我軍聲譽在國際上頓增十倍。
