力大增，向中国军队发动全线攻击。9月5日，日军以优势兵力及战车、炮舰、飞机联合进攻，中国第十八军第九十八师姚子青营奋力抗战，激战至第二日，全营官兵壮烈牺牲。蕴藻浜沿河之战，"；双方死亡俱奇重，浜水皆赤，所谓流血成河，显系实在景况。"；据陈诚报告，该部自8月22日参战，至9月7日，仅第十一、第十四、第六十七、第九十八、第五十六五个师即伤亡官兵9039名，第六师吴淞一役，即伤亡过半。"；大部受敌飞机、大炮轰炸，人枪并毁"；。其三十六团第二连，守卫火药库，"；死守不退，致全部轰埋土中"；。
由于江岸地形有利于日本陆海空军协同作战，日军又源源增援，中国军队为减少损失，只能主动退守。史说回忆说："；日军在长江沿岸及黄埔江沿岸继续登陆，与我军一个点一个点地争夺，往往日军白昼占去，夜间我又夺回。"；"；在日军舰炮火下，伤亡惨重，往往一个部队，不到几天就伤亡殆尽地换下来了。我亲眼看见教导总队那个团，整整齐齐地上去，下来时，只剩下几付伙食担子。"；9月10日，第十五集团军右翼阵地被突破。11日，第九集团军奉命向北站、江湾等地转移。
反登陆战争失利，日军后续部队源源增加。9月11日，自青岛调来的日军天谷支队进入月浦镇。12日，由华北方面军转调的后备步兵十个大队陆续抵达上海战场。14日，自台湾调来的重藤支队登陆。中国军队的处境越来越困难了。
为维护中苏交通线，蒋介石决定吸引日军改变主战场；
为配合外交斗争，蒋介石决定坚守上海
9月11日以后，中国军队转入顽强的守卫战。
作为淞沪战场的最高统帅，蒋介石最先感到了中国军队的不利态势。8月28日，罗店失陷，蒋介石日记云："；近日战局，渐转劣势，人心乃动摇矣。"；31日，吴淞失守，蒋介石再次在日记中表示："；我军转入被动地位矣。"；在这一形势下，蒋介石不得不重新思考，仗将如何打下去。9月2日日记云："；战略应尽其全力贯注一点，使敌进退维谷，以达我持久抗战之目的。"；"；敌之弱点，以支战场为主战场，故其对华战争全在消极，且立于被动地位，故我如处置得策，不难旷日持久，使敌愈进愈穷也。"；这则记述说明，尽管上海战场形势不利，但蒋介石决定"；全力贯注一点"；，在上海长期拖住日军。其后，副参谋总长白崇禧、作战组长刘斐等向蒋提出，淞沪会战应"；适可而止"；，部队应及时向吴福线国防工事转移。蒋介石一度接受这一意见，下令执行，但第二天又决定收回命令。同月14日蒋介石日记云："；集中兵力，在上海决战乎？抑纵深配备，长期抗战乎？"；两种方案，前者意味着在上海和日军决出胜负，后者意味着向吴福线转移。这则日记，说明蒋对自己的战略决定有过犹疑。但是，这一时期，蒋从全国各地抽调的部队正陆续到达淞沪战场，因此，蒋仍然决定长期坚守上海。其日记云："；各部死伤大半，已觉筋疲力尽，若不支撑到底，何以慑服倭寇，完成使命也？"；16、17日，日军发动总攻击，中方阵地动摇，前线指挥官向蒋要求撤退，蒋严令死守，并亲往昆山督师。21日，蒋介石调整部署，将中国军队分为右翼、中央、左翼三个作战军。右翼军以张发奎为总司令，下辖第八、第十两个集团军；中央军以朱绍良代替张治中为总司令，下辖第九集团军；左翼军总司令陈诚，下辖第十五、第十九两个集团军。
当时，中苏之间的枪械、弹药有两条运输线。一条是经外蒙古、内蒙古、山西大同至内地，一条经新疆、甘肃、山西，连接陇海路。9月11日，大同失陷，蒋介石极为震痛。14日日记云："；阎之罪恶甚于宋之<；失>；平津，其为无胆识，一至于此，实为梦想所不及也，可痛之至。对于苏俄之运货交通更生困难矣。"；当日，蒋介石向自己提问道："；集中兵力在上海决战乎？抑纵深配备，长期抵抗乎？"；25日，蒋介石得悉平汉线中国军队溃退，河北沧州不守，估计日军将进攻河南郑州，中俄之间的第二条联络线有可能截断，决定加强上海战场，吸引日军主力。27日，蒋介石决定四项抗敌策略："；一、引其在南方战场为主战场；二、击其一点；三、持久；四、由晋出击。"；10月8日，蒋介石决定调骁勇善战的桂军加入上海战场。10月15日日记云："；相持半年，迟至明年三月，倭国若无内乱，必有外患，须忍之。"；17日，蒋介石到苏州督师。次日，中国军队在上海战场发动总反攻。
蒋介石之所以决定坚守上海，一是为了减轻华北战场的压力，维护中苏交通线，同时也是为了配合外交斗争，争取对即将召开的《九国公约》会议有较好的影响。《九国公约》签署于1922年2月，其签字国为美、英、日、法、意、比、荷、葡、中等九国。该条约表示尊重中国之主权与独立暨领土与行政之完整，强调各国在华机会均等与中国的门户开放。卢沟桥事变后，南京国民政府即向国联申诉，要求"；谴责日本是侵略者"；。国联没有采纳中国的要求，提议召开《九国公约》签字国会议讨论。10月16日，比利时向有关19国发出邀请，初定同月30日在布鲁塞尔召开。蒋介石希望通过该次会议，"；使各国怒敌，作经济制裁，并促使英、美允俄参战"；。因此，蒋希望在该会召开之前，上海战场能有较好的战绩，至少，要能坚守上海。据唐生智回忆，蒋介石曾向他表示："；上海这一仗，要打给外国人看看。"；同月22日，蒋介石通电全军将士，说明九国公约会议即将举行，全体将士"；尤当特别努力，加倍奋励"；，"；于此时机表示我精神力量，以增加国际地位与友邦同情"；。为此，蒋介石向全国各地普遍调兵。24日，蒋致电龙云，询问滇军出发各部到达何处，要龙命令该军"；兼程急进，望能于九国公约会议之初到沪参战"；，急图在会前有所表现的企图跃然欲出。
日本政府采取对应措施，不断从华北、东北及国内向上海战场增兵。10月1日，日首相近卫、陆相杉山、海相米内、外相广田会议，通过《中日战争处理纲要》，决定发动十月攻势，扩大华北和华中战局，将中国军队分别驱逐至河北省及原上海停战协定规定区域以外，迫使南京政府议和，结束战争。此后，上海战场日军参战兵力超过华北，达9个师团，20万人以上。17日，日本陆军省限令上海作战部队在《九国公约》签字国会前攻克闸北、南翔、嘉定一带。
双方既在国际政治舞台上较量，战场上的拼杀自然更加激烈。10月21日，广西增援部队第二十一集团军廖磊率部到沪，向蕴藻浜沿河之敌发起全线反攻。桂军作战勇敢，但武器落后，缺乏与现代化武装的日军作战的经验，未能挽救危局。22日蒋介石日记云："；沪局以桂军挫败顿形动摇。满拟以桂军加入战线为持久之计，不料竟以此为败因也。"；次日，桂军因伤亡过大，撤至京沪铁路以南地区整理。其他部队也伤亡惨重，第三十三师打到官兵仅剩十分之一，师长负伤，旅长失踪。25日，中央军第七十八军第十八师朱耀华部防地为日军突破，朱军放弃位于上海西北的战略要地大场。至此，蒋介石才觉得"；沪战不能不变换阵地"；，决定命中国军队作有限度的撤退，转移至苏州河南岸。但是为了给世人留下仍在坚守苏州河北岸的印象，他决定在闸北"；派留一团死守"；。27日夜，第八十八师第五二四团团附谢晋元奉命率部留守闸北四行仓库，演出了八百壮士（实只四百人）孤军抗敌的悲壮一幕。31日，该团退入上海公共租界，坚持至1941年12月18日。
蒋介石认识到，中国的对日战争只能是持久战、消耗战，但是，他提出的战略原则却是防守战。8月18日，他发表《告抗战将士第二书》，主张"；敌攻我守，待其气衰力竭，我即乘胜出击"；。"；要固守阵地，坚忍不退，以深沟高垒厚壁，粉碎敌人进攻。"；9月13日，蒋介石手拟《告各战区全军将士文》，再次强调固守，"；虽至最后之一兵一弹，亦必在阵中抗战到底"；。10月28日，他在松江召开军事会议，仍然表示："；要严密纵深配备，强固阵地工事"；，"；要不怕阵地毁灭，不怕牺牲一切"；，"；我们已移至沪战最后一线，大家应抱定牺牲的决心，抵死固守，誓与上海共存亡"；。
要杀敌卫国，自然需要强调牺牲精神，但敌人拥有海、空优势，配备重武器，呆板的防守战必然带来巨大的伤亡，最终也难以守住阵地。当时，日方有各种飞机1500架，而中国仅有战斗机、轰炸机300架。8月24日，张治中致蒋介石、何应钦密电云："；连日敌机甚为活跃，全日在各处轰炸，毫无间断，我军日间几无活动余地，威胁甚大。"；白崇禧也表示："；无制空权，仗无法打。我官兵日间因飞机不能动，夜间因探照灯亦不能动。长期抵抗，须另有打算。"；淞沪之战，中国军队士气旺盛，英勇抗敌，但蒋介石单纯防御，将几十万精锐密集于长江南岸狭长地区内，层层设防，硬打死拼，大量消耗中国军队的有生力量，是很愚蠢的作战方法。后来，蒋介石回顾淞沪战役，就曾自我检讨，认为自己没有在九国公约会议之前，及早退兵于吴福线、乍嘉线阵地，"；而于精疲力尽时，反再增兵坚持，竟使一败涂地，不可收拾"；，"；此余太坚强之过也"；。
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