军、刘建绪的第10集团军，稍后，又调来廖磊的第21集团军。
1937年9月21日上海第三战区司令部
前线部队部署做了调整，以应对作战需要。
第15、第19集团军编为左翼兵团，陈诚为总司令，下辖3个军团、江防军总司令部及总预备队，共约16个师、2个要塞司令部、4个独立团、1个江苏保安队。作战地域为蕰藻浜以北的万桥、罗店、广福地区。
第9集团军为中央兵团，朱绍良（取代因病调任大本营管理部任部长的张治中）为总司令，下辖7个军18个师、1个独立旅、1个炮兵旅、1个淞沪警备司令部和1个上海保安总队。作战地域为北站、江湾、庙行一线及其以西地区。
第8、第10集团军为右翼兵团，张发奎为总司令，下辖10个师、3个独立旅、3个新编旅、1个中央军校教导总队和1个岸防部队。作战地域为苏州河以南至杭州湾北岸地区。
加上不久后赶赴上海参战的第21集团军及川军刘湘部5个师，国民党军总兵力已达75个师、70余万人。
1937年9月下旬上海各地
9月22日，日军集中主力猛攻固守罗店的左翼军阵地，防守这里的第18军和叶肇第66军拼死抵御，阵地屹立不动。
次日黎明至24日夜，日军复以两个师团持续冲锋，国军第159师、第160师以全体阵亡的代价坚守了12个小时。为此日军也付出了惨重代价。
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。
1937年10月上旬上海各地
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，国军第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因连日与敌浴血激战，终因牺牲重大，无力对峙，相继退出阵地。
9日起，日军再度集中海空军火力，配合步兵向蕰藻浜南岸强攻，中国守军轮番上阵抵抗，经数昼夜血战，始得遏止日军攻势。
1937年10月中旬上海各地
10月15日，日军突破蕰藻浜，战局再度告急。
此时从广西调来的第21集团军抵达淞沪前线，蒋介石急将该集团军10个师编入中央军序列，领取作战军械和弹药。
第21集团军属李宗仁、白崇禧桂系王牌部队，以能打能拼在地方军中享有威名。白崇禧这时向蒋介石献策，认为纯粹被动防守非长久之计，徒增伤亡更无法取胜，必须以一支主力突击部队主动出击，实行积极防御的策略，蒋介石由是下达了实施反击作战的命令。
10月19日，中国守卫蕰藻浜南岸的部队，配合廖磊第21集团军发动全线反击。
当日，日军吉住良辅第9师团、伊东政喜第101师团及第3师团一部，亦向蕰藻浜南岸发起猛攻。双方主力迎头相撞。
桂军初上战场，毫无与日军交锋经验，以血肉之躯冲进密集弹雨，将日军施放的烟雾误为毒气，队形自我混乱。加上当时淞沪战场上只有桂军头戴钢盔、身穿黄色军服，极为显眼，成为日军射击的活靶子。遭日军飞机、火炮、坦克和机枪密集火力突击。2万大军一日即被打散，上万敢死队大部战死。该集团军仅旅长即阵亡6人。激战至25日，部队被迫撤退。左翼军4个团在广福南侧向北路日军反击作战，也被日军击退。
日军乘机反扑，兵锋直指大场。
10月23日，日军以重兵直趋真太公路，威逼大场左翼。
刘行方面日军，渡过蕰藻浜后攻向大场以西塔河桥，我军第18师朱耀华、第26师刘雨卿、第67师黄维等部经过艰苦抗击，阻住日军攻势。
此时，中国军队从大场东面，经大场、市中心向东北而成一半圆形阵线，绕于江湾以北。庙行、大场位置突出，遂成日军眼中钉，日军调集各种火炮、飞机集中猛烈轰击，方圆数里，几为焦土。
日军接着又以40余辆战车为前导，掩护步兵夺占胡家桥、塔河桥、走马塘等处阵地。为保存实力，守军在作出最大努力抵抗后向南翼转移，大场失守。
此战中国军队又蒙受惨重伤亡，第18师几乎全军覆没，师长朱耀华悲愤难当，当即拔枪自戕（未死）。
大场丢失全线撼动，塞克特防线实际上已被突破。第三战区只得作出放弃北站--江湾阵地之举。
中央军部队撤退到苏