此役***方面先后投入8个集团军又48个师、15个独立旅、9个暂编旅、中央军校教导总队、炮兵7团、财政部税警总团、宪兵1个团、SH市保安总团、SH市警察总队、JS省保安团4个团，3队海军舰队，兵力总数在60万人以上。
加上不久后赶赴SH参战的第21集团军及川军刘湘部5个师，***军总兵力已达75个师、70余万人。
日军投入5个师团1个旅团达13万人，鏖战两个月后，日军终于依靠强大的火力突破中国军队防线。
10月20日，日军秘密组建第10军准备对中国军发动总攻。
中国军队围攻RB陆战队示意图队实行大包围，11月5日日军第10军8万人在金山卫登陆，******因幻想九国公约签字国的干涉，拖延了撤退时机，但此时西方国家绥靖之风盛行，称中国军队主动在SH非军事区挑起战争为破坏和平，对中国的要求置之不理。
几天后，日军包围网即将形成，前线中国军队大乱，部分部队为避免被围已经自行组织撤退。
******仍死抱着对国联不切实际的幻想，迟迟不肯下令后撤，耽误了宝贵的时间。
最终撤退时，因没有讲明各部队撤退顺序，三四十万中国将士挤在几条公路上，被日军空军轰炸，大撤退变成了大溃逃，数十万将士在撤往南京时分散，为南京保卫战的失利埋下伏笔。
12万守军各自为战，无法统一作战，数天SH就告陷。
此次为中国军队第一次军种（空军、海军、陆军）和诸兵种（步兵、炮兵、坦克）大规模协同作战，协同效果很差：步兵逼坦克冲锋又不予以掩护，结果坦克被日军全部击毁；
步兵失去坦克掩护后攻坚伤亡惨重，甚至出现一个营部队挤在一条街内被日军堵住街口全部击毙的悲剧。
陈诚回顾SH围攻未胜的教训，认为“以5师之众，对数千敌陆战队实行攻击，竟未能奏效，实在是当时部署种种不当的缘故”。
史说回忆，“步兵与炮兵、战车协同作战的训练从来没做过”。
日军逐渐掌握战场的主动权，RB最高层决定将侵华的主要作战方向由华北转移到SH并要求加快SH战役进程，再次作出增兵的决定。
将华北方面军所属第9、第13、第101师团转隶SH派遣军序列。
此外，还从台湾调来了步兵旅团、重藤支队、第1后备步兵团以及伪靖安军第1旅、伪李春山旅和伪于芷山旅等部队。
这样，加上原有的几个师团，日军到9月下旬在SH的兵力，光步兵就达到了当初松井石根要求的5个师团，算上空军和海军的兵力，日军在沪总兵力达到20万人。
面对敌人调兵遣将，国民政府迅速增派各省及中央军部队至淞沪参战。
集团军中，除了原有的第8、第9、第15集团军外，又增加了薛岳的第19集团军、刘建绪的第10集团军，稍后，又调来廖磊的第21集团军。
中国军队转入防御后，日军开始发动大规模进攻。
9月22日，日军集中主力猛攻固守罗店的左翼军阵地，至24日夜，日军复以两个师团持续冲锋，****第159师、第160师全体阵亡。
第三战区司令长官部鉴于日军有以主力于宝浏公路两侧地区击破左翼军之势，为保存实力，持久消耗敌人，乃命令左翼军各部队逐次转入第二线阵地防守，相机打击日军。
此时，松井石根见从侧翼突入包围中国军队的企图无法实现，于是决定改分割包围为中央突破，集中兵力进攻蕰藻浜一线。
10月1日开始，日海军、航空兵协同地面部队发起新的攻击。北路以山室宗武第11师团指向广福、陈家行；南路集中第3、第9、第13、第101师团强渡蕰藻浜，向大场、南翔进攻，以切断大场至江湾地区守军与外界联系，使之成为孤军。
10月5日至9日，****第8师、第59师、第61师、第67师、第77师、第90师及税警总团等作战部队相继退出阵地。