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儘管上海中國守軍犧牲慘重，但鬥志高昂，拼死抵抗，使日軍攻勢進展緩慢。到9月上旬，上海戰局勝負難分。這一形勢使日本統帥部焦慮不安，決定第3次增兵，調第9、13、101師團及軍的直屬部隊、兵站部隊到上海，同時從華北方面軍抽調10個大隊以上兵力增援上海。
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，蔣介石自兼第3戰區司令官，顧祝同任副司令長官。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集團軍司令；陳誠任左翼作戰軍總司令，下轄第19集團軍和第15集團軍；張發奎任右翼作戰軍總司令，下轄第8集團軍和第10集團軍。
實力大大增加的日軍，於9月30日拂曉，向中國軍隊發起全面攻勢，突破萬橋、嚴橋、陸橋等處陣地，在大場、溫藻浜一線同中國軍隊進行了反覆爭奪絞殺，並逐步突破中國軍隊防線。10月15日，剛剛從廣西調來的第21集團軍投入戰鬥，發動反擊，一度擊退日軍。但在10月19日的反擊中，恰逢日軍主力亦發動步兵、坦克、炮兵聯合進攻，造成大規模遭遇戰。中國軍隊由於裝備相形見細，加之連日戰鬥，傷亡過大，乃於23日開始撤退，25日大場陷落。
然而，此時日軍也已傷亡過半，不得已於10月20日再度決定增兵，以3個師團又1個旅團的兵力組成第10軍，另從華北抽調第16師團編入上海派遣軍的戰鬥序列。這樣，透過這次增兵，上海周圍的日軍已達2個軍9個師團又2個旅團。此時日本留在國內的部隊只有近衛師團及第7師團兩個常設師團。
11月5日拂曉，大霧瀰漫。新增日軍第10軍第1梯隊登陸兵團，在海軍軍艦、飛機火力掩護下，在杭州灣北側的金公亭、金絲娘橋、金山嘴等處登陸。中國守軍由於沿岸兵力薄弱，被敵軍擊破，日軍登陸成功。當時中國軍隊曾駐浦東的第62師及獨立第45旅與駐楓涇的第79師夾擊登陸之敵，並令第1預備師由蘇嘉路趕往增援，但由於部隊聯絡困難，行動遲緩，計劃未能如期實施。日軍乘機突進，一舉進入黃浦江一線，對上海中國守軍形成兩翼迂迴包圍之勢。
在這種不利形勢下，中國第3戰區部隊為避免重大犧牲，於11月8日晚後撤，轉移陣地。但是蔣介石仍對英法的幹預寄於希望，堅決反對後撤。他說：&ot;上海是我國的重要經濟基地，如果放棄會使政府財政和物資受到很大影響。上海無論如何不能放棄！不能放棄！……只要我們在上海繼續頂下去，相信九國公約國家會出面制裁日本，戰爭可以早些結束。因此，必須收回撤退命令，要各個部隊仍在原來陣地死守！&ot;
蔣介石的話使他的副總參謀長、外號小諸葛的白崇禧大吃一驚。因為在淞滬三角地帶的數十萬大軍已經接到撤退命令，有的已經在行動了，怎麼能收回撤退的命令呢？然而，固執的蔣介石直接向全軍下達了返回原陣地的命令。結果造成全線混亂，90萬大軍擁擠在一個狹小地帶爭先恐後，拼命搶路，人吵馬叫，亂成一團。
日軍利用這一難得的機會，對中國軍隊進行了狂轟亂炸，幾十萬大軍因而潰不成軍。11月12日，上海市區陷於敵手。淞滬會戰歷時3個月，日軍終以傷亡4萬多人的代價結束了會戰。
由於淞滬會戰是由海軍直接發動的，因此作為海軍次長的山本五十六也時刻關注著中國戰局的發展。儘管他對陸軍存有反感，不贊成陸軍擴大對中國的侵略戰爭，但在戰爭擴及上海後，他改而積極主張一舉擊垮中國，並積極地為日本順利增兵作了大量的工作，尤其是其調動海軍航空兵，在戰爭頭8個月中，擔負起了支援陸軍、在前線進行俯衝轟炸，對中國內陸城市進行遠距離戰略轟炸等主要任務。可以
